ChemieXtra 12/2011 by SIGWERB GmbH

12 / 2011

Dezember 2011

FACHBERICHTE · MESSEN · NEWS

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EDITORIAL

Klein, kleiner, nano Empa-Forscher haben gemeinsam mit Kollegen in den Niederlanden ein Auto entwickelt, das

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aus 132 Kohlenstoff-, 120 Wasserstoff- sowie 2 Stickstoffatomen besteht. Das sogenannte NanoAuto ist rund 2 × 4 Nanometer gross. Angetrieben («betankt») wird es elektrisch über die Spitze eines Rastertunnelmikroskops. Um eine Strecke von 6 Nanometer zurückzulegen benötigt es 10 «Tankfüllungen». Auf Seite 20 wird darüber berichtet. Man kann sich natürlich fragen, wozu ein Nano-Auto zu gebrauchen sei. Im Wissenschaftsmagazin «Nature» brachte es das Nano-Auto immerhin aufs Titelblatt und zum Kommentar, den Wissenschaftlern sei «ein entscheidender Schritt auf dem Weg zu künstlichen nanoskaligen Transportsystemen» gelungen. Ob daraus je ein Vehikel für den Transport von Medikamenten oder für andere Aufgaben werden wird – wir werden sehen. Ganz allgemein ist anzumerken, dass seit einiger Zeit im Bereich der Nanotechnologie sehr viel läuft. Die Google-Suche nach «Nanotechnology»

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liefert ungefähr 21 400 000 Treffer. Im vorliegenden Heft sind Begriffe mit «Nano» fast 100-fach vertreten. Es gibt einen eigentlichen Boom, der auch vor Artikeln des täglichen Gebrauchs nicht haltmacht. Kurz – Nano ist in, Nano ist bereits in vielen Konsumprodukten drin, auch wenn die Anwen-

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der dies oft nicht realisieren. Dennoch: Vorsicht ist geboten, denn es ist nicht ausgeschlossen, dass gewisse Nanomaterialien bei Mensch und Tier zu gesundheitlichen Schäden führen können, ähnlich wie Asbest. Untersuchungen zu diesem Aspekt der Nanotechnologie liegen zwar vor, doch noch ist es zu früh, um daraus allgemeine Schlüsse zu ziehen. Wirksame Schutzmassnahmen an «NanoArbeitsplätzen» sind deshalb unerlässlich. In Konsumprodukten sollten Nanopartikel nur nach sorgfältigen Abklärungen eingesetzt werden. Es ist kein Zufall, dass die Hersteller von Cremen und Salben in der EU ab 2013 angeben müssen, ob diese Nanopartikel enthalten. Dank des Start-ups Nanonotion (siehe Seite 37) steht ihnen jetzt ein Gerät zur Verfügung, mit dem Nanoteilchen in Flüssigkeiten schnell und quantitativ nachgewiesen werden können.

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Kurt Hermann, Redaktor redaktion@sigwerb.com 12 / 2011

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I N H A LT S V E R Z E I C H N I S

CHEMIE

FIRMEN BERICHTEN

VERFAHRENSTECHNIK

Reaktionen in der Brennstoffzelle entschlüsselt

An der Technischen Universität (TU) Wien konnte gezeigt werden, wie Sauerstoff in Brennstoffzellen für elektrischen Strom sorgt.

Produktion im Plastikbeutel

Modularisierung, Flexibilität, geringe Umrüstzeiten, Minimierung von Kontaminationsrisiken – wer die Ansprüche an Produktionsprozesse in kleinem Massstab konsequent zu Ende denkt, landet fast zwangsläufig beim Konzept der Single-Use-Technologien.

NEWS

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FORSCHUNGSWELT

LABOR

ANALYTIK

PHARMA

Ein Nano-Auto mit molekularem Allradantrieb

Ein emissionsfreies, geräuschloses Allradfahrzeug haben Empa-Forscher gemeinsam mit niederländischen Kollegen entwickelt. Das Nano-Auto besteht lediglich aus einem einzigen Molekül und fährt auf vier elektrisch angetriebenen Rädern nahezu geradlinig über eine Kupferoberfläche.

IMPRESSUM

Die Fachzeitschrift für die Chemie- und Laborbranche

Erscheinungsweise 10 × jährlich (5 × im Jahr 2011) Jahrgang 1. Jahrgang (2011) Druckauflage 12000 Exemplare ISSN-Nummer 1664-6770 Internet www.chemiextra.com Geschäftsleiter Andreas A. Keller

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I N H A LT S V E R Z E I C H N I S

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VERANSTALTUNGEN

POLITIK UND WIRTSCHAFT

PANORAMA

Was Vegetarier beachten sollten

Wer weniger oder überhaupt keine tierischen Lebensmittel essen will, bedarf einer überlegten Speisenplanung, um den gesamten Nährstoffbedarf zu decken. Die kritischsten Nährstoffe sind die Vitamine B12 und D, Calcium, Eisen, Zink sowie die Omega3-Fettsäuren EPA und DHA. Ein höherer Verzehr an Obst und vor allem Gemüse bleibt ein wichtiges Ziel für Vegetarier wie Fleischesser.

WERKSTOFFE

UMWELT

Evolutionäre Anpassung bei Pfeilgiftfröschen

Zehn Arten von Fröschen rufen lauthals durcheinander. Wie soll sich da der richtige angesprochen fühlen? Pfeif- und Pfeilgiftfrösche in Peru haben eine Lösung gefunden: Jede Art reagiert ausschliesslich in jenen Frequenzbereichen, die klar von den Rufen der Nachbararten abgegrenzt sind.

Wirkung von Nanomaterialien auf Organismen

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Nanopartikel wie Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT) gelangen vermehrt in die Umwelt. Ob und wie sie aquatische Ökosysteme beeinträchtigen, ist weitgehend noch unklar. Eine Empa-Studie zeigt, dass CNT auf Grünalgen nicht toxisch wirken, deren Wachstum aber hemmen, indem sie ihnen Licht und Platz nehmen.

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CHEMIE

Komplizierte chemische Abläufe

Reaktionen in der Brennstoffzelle entschlüsselt An der Technischen Universität (TU) Wien konnte gezeigt werden, wie Sauerstoff in Brennstoffzellen für elektrischen Strom sorgt. Alexander Opitz erhielt dafür eine Auszeichnung der Fachgruppe Angewandte Elektrochemie der Gesellschaft Deutscher Chemiker.

Vom Molekül zum elektrisch geladenen Teilchen Es gibt unterschiedliche Arten von Brennstoffzellen, die bei unterschiedlichen Temperaturen arbeiten. Opitz beschäftigt sich mit Hochtemperatur-Brennstoffzellen (sogenannten Festoxid-Brennstoffzellen). Sie führen Wasserstoff und Sauerstoff kontrolliert zu Wassermolekülen zusammen. Der Wasserstoff gibt dabei Elektronen ab, der

Bild 1. Alexander Opitz.

Bilder: TU Wien

Unser Körper braucht weder Solarzellen noch Atomkraftwerke – wie alle Lebewesen nützen wir chemische Energie. Dieser Weg lässt sich auch in der Technik beschreiten, zum Beispiel mithilfe von Brennstoffzellen. Sie wandeln die Energie chemischer Reaktionen direkt in elektrische Energie um. Komplizierte chemische Abläufe sind dafür verantwortlich, und noch immer hat man viele Details nicht vollständig verstanden. Alexander Opitz vom Institut für Chemische Technologien und Analytik der TU Wien konnte nun allerdings genau zeigen, durch welche Reaktionen Sauerstoffmoleküle in geladene Sauerstoffionen umgewandelt werden und so einen Stromfluss in der Brennstoffzelle ermöglichen. Seine Arbeit wurde von der Gesellschaft Deutscher Chemiker mit dem Förderpreis für angewandte Elektrochemie ausgezeichnet. Bild 2. Die Brennstoffzelle: O 2-Moleküle (oben) werden in negativ geladene Sauerstoffionen aufgespalten, die mit Wasserstoff zu Wasser umgewandelt werden (unten rechts).

Sauerstoff nimmt Elektronen auf – dadurch kommt es zu einem Stromfluss. «Wir haben nun genau untersucht, durch welche Reaktionsketten Sauerstoffmoleküle in geladene Sauerstoffionen umgewandelt werden», erzählt Opitz. Für diese Umwandlung braucht man einen Katalysator – oft werden Platinpartikel dafür verwendet. Die Sauerstoffionen, die an den Elektroden gebildet werden, wandern dann durch einen Elektrolyten aus speziellen sauerstoffhaltigen Materialien ab. «Wir haben uns einem ganz klassischen Modelltyp der Brennstoffzelle zugewandt: Einer Zelle mit Platinelektroden und einem Elektrolyten aus Zirkoniumdioxid, erklärt Opitz. «Um zu sehen, welche Rolle das Platin dabei spielt, haben wir es ganz gezielt auf dem Elektrolytmaterial aufgebracht.» Statt einem porösen Platinschwamm aus zufällig zusammengebackenen PlatinPartikeln, wie in einer gewöhnlichen Brenn-

stoffzelle, wurden geometrisch sauber definierte Platinflecken auf Zirkoniumdioxid hergestellt – vergleichbar mit mikroskopisch kleinen Platinmünzen. Das ermöglichte es, ihre Wirkung genau zu studieren.

Unterschiedliche Reaktionen an unterschiedlichen Orten Sauerstoff kann – an Platin und Zirkoniumdioxid – auf mehrere Arten reagieren. Manche Reaktionen finden am Rand der mikroskopisch kleinen Platinscheibchen statt, andere an der Oberfläche oder im Inneren. Welche chemische Reaktionen überwiegen und das Verhalten der Brennstoffzelle bestimmen, hängt von der Temperatur, der Form und der Grösse der Platinelektroden ab. Durch Messungen an unterschiedlich grossen Platinplättchen kann man daher darauf schliessen, wie stark die verschiedenen chemischen Reaktionen in der 12 / 2011

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Brennstoffzelle jeweils zum Stromfluss beitragen. Drei verschiedene Reaktionswege konnte Opitz identifizieren, und es gelang ihm zu zeigen, welche Reaktionen unter welchen Bedingungen das Geschehen in der Brennstoffzelle dominieren. Dass die Randzone der Platinelektroden bei diesen Vorgängen eine besondere Rolle spielt, war bereits bekannt. «Erstaunlich war allerdings, dass bei mässig hohen Temperaturen der Sauerstoff auch direkt durch das Platin hindurchwandern kann», berichtet Opitz. «Wenn man die Gesamteffektivität der Brennstoffzelle herausfinden will, darf man das keinesfalls vernachlässigen.»

Auf der Suche nach besseren Materialien «Es ist für uns sehr wichtig, dass wir dieses Modellsystem nun endlich gut verstehen», betont Opitz. «Mit diesem Wissen kann man sich nun auch kompliziertere Materialien ansehen und vielleicht Stoffe finden, mit denen wir noch effizientere Brennstoffzellen herstellen können als heute.» Wichtig sind die Erkenntnisse nicht nur für Brennstoffzellen, sondern genauso für die Elektrolyse. Sie ist gewissermassen die Umkehrung der Brennstoffzelle: Während in der Brennstoffzelle aus chemischer Energie

Strom erzeugt wird, speist man bei der Elektrolyse Strom ein und ruft damit eine chemische Reaktion hervor. Quelle: TU Wien Kontakt Dr. Alexander Opitz Technische Universität Wien Institut für Chemische Technologien und Analytik Getreidemarkt 9 A-1060 Wien Telefon +43 (0)1 58801 15860 alexander.opitz@tuwien.ac.at

Ein neues Konzept für wiederaufladbare Batterien

Fluorid-Shuttle steigert Speicherkapazität

Lithium-Ionen-Batterien sind weit verbreitet, doch ihre Speicherkapazität ist begrenzt. In Zukunft werden, vor allem für mobile Anwendungen, Batteriesysteme mit höherer Energiedichte gefragt sein, die bei geringerem Gewicht mehr Energie speichern können. Wissenschaftler des KIT forschen daher auch an alternativen Systemen. Ein völlig neues Konzept für Sekundärbatterien, das auf Metallfluoriden basiert, haben Maximilian Fichtner, Leiter der Gruppe Energiespeichersysteme, und Munnangi Anji Reddy am Institut für Nanotechnologie (INT) des KIT entwickelt. Metallfluoride lassen sich einerseits als Konversionsmaterialien in Lithium-Ionen-Batterien einsetzen. Sie ermöglichen aber auch lithiumfreie Batterien mit fluoridhaltigen Elektrolyten, Anoden aus Metall und Kathoden aus Metallfluorid, die eine deutlich höhere Speicherkapazität und verbesserte Sicherheitseigenschaften aufweisen. Dabei übernimmt das Fluoridanion anstelle des 12 / 2011

Lithiumkations den Ladungstransfer. An Kathode und Anode kommt es jeweils zur Bildung eines Metallfluorids oder zu dessen Reduktion. «Da sich mehrere Elektronen pro Metallatom übertragen lassen, erlaubt dieses Konzept ausserordentlich hohe Energiedichten – bis zu zehn Mal so hoch wie bei gegenwärtigen Lithium-Ionen-Batterien», erklärt Fichtner. Die KIT-Forscher arbeiten nun daran, Materialdesign und Batteriearchitektur weiterzuentwickeln, um die Anfangskapazität sowie die Zyklenfestigkeit der FluoridionenBatterie zu verbessern. Eine weitere Herausforderung liegt in der Weiterentwicklung des Elektrolyten: Der bis jetzt eingesetzte Feststoffelektrolyt eignet sich nur für Anwendungen bei erhöhten Temperaturen. Ziel ist daher, einen geeigneten Flüssigelektrolyten zur Anwendung bei Raumtemperatur zu finden. Quelle: KIT

Bild: KIT

Ein neues Konzept für wiederaufladbare Batterien haben Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) entwickelt. Basierend auf einem Fluorid-Shuttle – der Übertragung von Fluoridanionen zwischen den Elektroden – verspricht es ein Mehrfaches der Speicherkapazität, wie sie bei Lithium-Ionen-Batterien möglich ist. Auch die Betriebssicherheit lässt sich erhöhen, da auf Lithium verzichtet werden kann.

Bild 1. Aufbau der Fluoridionen-Batterie: Ein fluoridhaltiger Elektrolyt trennt die Anode aus Metall und die Kathode aus Metallfluorid.

Originalpublikation M. Anji Reddy and M. Fichtner, «Batteries based on fluoride shuttle», J. Mater. Chem. 21, 17059–17062 (2011). 5

CHEMIE

Vom Abfall zum erneuerbaren Rohstoff

Reduktive Funktionalisierung von Kohlendioxid Kohlendioxid fällt bei der Energieerzeugung an. Das Gas könnte ein interessanter erneuerbarer Rohstoff und umweltfreundliches chemisches Reagens sein. Liesse es sich tatsächlich nutzen, könnte nicht nur der Kohlendioxidausstoss in die Atmosphäre, sondern auch unsere Abhängigkeit von Petrochemikalien verringert werden, deren Vorrat irgendwann zur Neige gehen wird. Französische Wissenschaftler vom Institut Rayonnement Matière de Saclay in Gif-sur-Yvette stellten einen neuen Ansatz vor, um Kohlendioxid in brauchbare Bausteine für chemische Synthesen und neue Treibstoffe umzuwandeln.

«Beim horizontalen Weg wird das Kohlenstoffatom funktionalisiert, das heisst, es kann neue Bindungen zu Sauerstoff, Stickstoff sowie weiteren Kohlenstoffatomen eingehen», so Cantat weiter. «Hier bleibt die Oxidationsstufe gleich, der Energieinhalt wird nicht gesteigert.» Treibstoffe lassen sich so nicht herstellen, aber Chemikalien, die interessante Bausteine für chemische Synthesen darstellen, wie Harnstoff. Das französische Team versucht sich an einem Kompromiss – einer Kombination beider Wege zu einem «diagonalen» Ansatz. Dabei soll das Kohlendioxid in einem Schritt reduziert und funktionalisiert werden. Dieses Vorgehen erlaubt die Herstellung einer wesentlich breiteren Palette an Chemikalien, direkt aus CO2. 6

Bild: Kurt Hermann nach [1] (modifiziert)

«Kohlendioxid ist ein nichttoxischer, in Mengen vorhandener C1-Baustein, sagt Thibault Cantat vom Institut Rayonnement Matière de Saclay in Gif-sur-Yvette. «Bisher gibt es aber nur eine Handvoll Prozesse, die diesen Ausgangsstoff einsetzen, denn Kohlendioxid ist ein sehr stabiles Molekül, das nicht so leicht zur Reaktion gebracht werden kann.» Bisher gab es zwei Ansätze, um Kohlendioxid zu verwerten. Cantat: «Beim sogenannten vertikalen Ansatz wird Kohlendioxid reduziert, das heisst, die Oxidationsstufe des Kohlenstoffatoms wird verringert, indem formal Sauerstoff durch Wasserstoff ersetzt wird. Ergebnis sind Verbindungen wie Methanol oder Ameisensäure, die sich zu Treibstoffen verarbeiten lassen.» Die Produkte haben zwar einen höheren Energieinhalt als Kohlendioxid, aber nur relativ wenige Chemikalien lassen sich auf diese Weise herstellen. Bild 1. Verfahren zur Umwandlung von CO 2 in nützliche Verbindungen als Alternative zu petrochemischen Verfahren.

Drei Dinge braucht man für die Reaktion: ein Reduktionsmittel (zum Beispiel ein Silan), ein organisches Molekül, das an das Kohlendioxid-Kohlenstoffatom angeknüpft werden soll (zum Beispiel ein Amin) und einen speziellen Katalysator, der sowohl die Reduktion als auch die Verknüpfung katalysiert. Als erfolgreich erwies sich eine spezielle organische Base aus einem stickstoffhaltigen Ringsystem. «Über eine Variation der Reaktionspartner wollen wir eine ganze Bandbreite chemischer Verbindungen zugänglich machen, die sonst aus petrochemischen Rohstoffen gewonnen werden», so Cantat, «beispielsweise Formamid-

Abkömmlinge, wichtige Zwischenprodukte der chemischen und pharmazeutischen Industrie.» Quelle: Angewandte Chemie

Originalpublikation Christophe Das Neves Gomes et al., «A Diagonal Approach to Chemical Recycling of Carbon Dioxide: Organocatalytic Transformation for the Reductive Functionalization of CO2», Angew. Chem, Article first published online: 6 OCT 2011 DOI: 10.1002/anie.201106864 12 / 2011

LABORAPPARATE

Wir vertreten:

An der Universität Leipzig ist die Herstellung und Charakterisierung von Katalysatoren gelungen, mit denen wichtige Zwischenprodukte für die industrielle Produktion von Kosmetika, Duftstoffen und Pharmazeutika künftig kostengünstiger und umweltfreundlicher hergestellt werden können.

«Definitiv besitzen diese nanoporösen, manganhaltigen Silikate ein enormes Potenzial als Oxidationskatalysatoren. Für eine nachhaltige und umweltfreundliche Gestaltung chemischer Produktionsprozesse werden sie dringend benötigt», so der Wissenschaftler.

Gemeinsam mit Forschern des slowenischen National Institute of Chemistry in Ljubljana haben Wissenschaftlern der Universität Leipzig manganhaltige kristalline Silikate im Labor erzeugt, die eine geordnete Porenstruktur im Nanometerbereich aufweisen. Dabei konnten die Wissenschaftler isolierte Manganatome so in die spezielle poröse Struktur des Silikats einbringen, dass eine selektive Verbrennung der Kohlenwasserstoffe allein durch Luftsauerstoff ermöglicht wird. Umweltschädliche Reagenzien werden damit ebenso überflüssig wie teure Edelmetallkatalysatoren aus Gold, Platin oder Palladium. «Erdölstämmige Produkte können damit in Zukunft allein mit Luftsauerstoff als Oxidationsmittel in hochwertige Feinchemikalien umgewandelt werden», erklärt Roger Gläser vom Institut für Technische Chemie an der Universität Leipzig. Durch die Katalysatoren, bei denen es sich um Mangansilikalite handelt, wird die ungewünschte vollständige Verbrennung der Kohlenwasserstoffe wirksam unterbunden. Dieser Prozess der Totaloxidation läuft bei höheren Temperaturen ohne Katalysatoren ab, beispielsweise im Motor eines Autos. Die im Labor hergestellten Katalysatoren sind nicht nur umweltfreundlich, sondern durch die verwendeten Materialien Mangan und Silikat kostengünstig herzustellen. «Zwar haben wir mit den nanoporösen Mangansilikaten bislang nur solche Kohlenwasserstoffe umgesetzt, die besonders reaktiv sind. Wir sind aber nun auf dem besten Weg, auch reaktionsträge Kohlenwasserstoffe nur mit der Hilfe von Luftsauerstoff als Oxidationsmittel selektiv zu hochwertigen Feinchemikalien umzuwandeln», sagt Gläser, der auch das Institut für Nichtklassische Chemie an der Universität Leipzig leitet.

Quelle: Universität Leipzig

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Originalpublikationen N. Novak Tušar, S. C. Laha, S. Cecowski, I. Arcon, ˇ V. Kauciˇ c,ˇ R. Gläser, «Mn-Containing Porous Silicates as Catalysts for the Solvent-Free Selective Oxidation of Alkyl Aromatics to Aromatic Ketones with Molecular Oxygen», Microporous and Mesoporous Materials, 146 [1–3], 166–171 (2011) N. Novak Tušar, S. Jank and R. Gläser, «Manganese-Containing Porous Silicates: Synthesis, Structural Properties and Catalytic Applications», ChemCatChem 3 [2], 254–269 (2011).

Kontakt Prof. Dr. Roger Gläser Universität Leipzig Institut für Technische Chemie Linnéstrasse 3 D-04103 Leipzig Telefon +49 (0)341 97 36 301 roger.glaeser@chemie.uni-leipzig.de www.uni-leipzig.de

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CHEMIE

Verfahren mit porösen molekularen Gerüststrukturen

Flexible Regalsysteme sortieren Moleküle

Bild: Kurt Hermann

Ein flexibles und effizientes neues Verfahren zur Trennung von Enantiomeren haben Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Ruhr-Universität Bochum (RUB) entwickelt. Die Enantiomerentrennung ist unerlässlich für die Herstellung vieler Medikamente. Bei ihrem Verfahren setzen die Wissenschaftler poröse molekulare Gerüststrukturen (MOF) ein, die sie nach einer eigens entwickelten Methode schichtweise auf Festkörpersubstraten aufbauen.

Bild 1. (2R,5R) -2,5-Hexandiol und (2S,5S) -2,5-Hexandiol verhalten sich wie Bild und Spiegelbild, das heisst, sie sind Enantiomere.

Enantiomere sind paarweise auftretende, räumlich zueinander spiegelbildlich aufgebaute Moleküle. Sie unterscheiden sich voneinander wie ein linker und ein rechter Handschuh. Diese als Chiralität bezeichnete Eigenschaft von Molekülen spielt vor allem in den Biowissenschaften und der Pharmazie eine Rolle. «Während viele, besonders kleinere, Moleküle wie Kohlendioxid oder Methan nicht chiral sind, weisen zahlreiche biologisch relevante Moleküle, beispielsweise Weinsäure, diese Eigenschaft auf», erklärt Christof Wöll, Leiter des Instituts für Funktionelle Grenzflächen (IFG) des KIT. Für viele Medikamente ist nur eines der beiden Enantiomere erwünscht, damit die Wirkstoffmoleküle an bestimmte Strukturen im Körper andocken können.

Schnelles und kostengünstiges Verfahren Gegenüber den bisher eingesetzten Methoden ermöglicht das von den Forschern um Christof Wöll, Roland Fischer vom Lehrstuhl für Anorganische Chemie II der RUB und Humboldt-Stipendiat Bo Liu (KIT und RUB) entwickelte Verfahren eine schnellere und damit auch kostengünstigere Enantiomerentrennung. Es basiert auf neuartigen 8

molekularen Gerüststrukturen (MOF), die sich auf Festkörpersubstraten verankern lassen. Diese porösen Beschichtungen, auch als SURMOF bezeichnet, entstehen durch ein von den Forschern eigens entwickeltes Epitaxieverfahren: Statt, wie sonst üblich, die aus den Ausgangsstoffen hergestellten Lösungsgemische zu erhitzen, werden modifizierte Substrate abwechselnd in die Lösungen der Ausgangsstoffe getaucht. «Auf diese Weise werden die molekularen Schichten etagenweise aufgebaut – vergleichbar mit einem Regalsystem», erläutert Fischer. Die auf Oberflächen verankerten molekularen Regalsysteme lassen sich für verschiedene Anwendungen funktionalisieren.

Grössere Maschen für pharmazeutische Wirkstoffe Zur Enantiomerentrennung dienen chirale organische Moleküle als Verstrebungen der Regalsysteme. Dank ihrer homochiralen Struktur halten diese Beschichtungen jeweils eines der beiden Enantiomere fest. In der Zeitschrift «Angewandte Chemie» beschreiben die Wissenschaftler die Trennung der enantiomeren Moleküle (2R, 5R)-2,5-Hexandiol (R-HDO) und (2S,5S) -2,5-Hexandiol (S-HDO).

Ziel weiterer Arbeiten ist, die Maschenweite der porösen Strukturen zu vergrössern, um das Verfahren auch für grössere Moleküle zu testen, die als Medikamente eingesetzt werden. «Pharmazeutische Wirkstoffe sind mit Grössen von zwei oder mehr Nanometern deutlich grösser als Hexandiol. Die Entwicklung von oberflächenverankerten Netzwerke mit so grossen Strukturen ist eine grosse Herausforderung», erklärt Wöll.

Enormes Potential für die Pharmaindustrie Ein besonderer Vorteil der SURMOF ist die Möglichkeit, die Effizienz der Enantiomerentrennung rasch und genau festzustellen. Mithilfe einer Quarzkristallwaage liess sich zeigen, dass die oberflächenverankerten molekularen Gerüststrukturen schon jetzt hervorragende Trennleistungen erbringen. «Die SURMOF besitzen als neues Material eine enormes Potenzial für die Pharmaindustrie», so Jürgen Hubbuch, Inhaber des Lehrstuhls für Molekulare Aufarbeitung von Bioprodukten (MAB) und Sprecher des KITKompetenzfeldes Biotechnologie. Quelle: RUB und KTI gemeinsam

Originalpublikation Bo Liu et al., «Homochirale Dünnschichten auf der Basis Metall-organischer Gerüste: orientiertes Wachstum von SURMOF und enantioselektive Adsorption», Angewandte Chemie, Article first published online: 3 nov 2011 doi: 10.1002/ange.201104240 12 / 2011

Bild: KIT-IGF

Bild 2. Ein molekulares Gerüst, das auf einer Oberfläche verankert ist, trennt die gewünschten Enantiomere ab.

Kontakt Prof. Dr. Roland. A. Fischer Ruhr-Universität Bochum Fakultät für Chemie und Biochemie Universitätsstrasse 150 D-44780 Bochum Telefon +49 (0)234 32 24174 roland.fischer@rub.de www.rub.de

MOF: Metal-Organic Frameworks Metall-organische Gerüste (Metal-Organic Frameworks, MOF) sind mikroporöse kristalline Materialien, die aus metallischen Knotenpunkten, den sogenannten SBU (Structural Building Units) und organischen Molekülen (Linkern) als Verbindungselementen zwischen den Knotenpunkten aufgebaut sind. Es können ein-, zwei- und dreidimensional Netzwerke ausgebildet werden, wobei ein- und zweidimensionale Strukturen eher als Koordinationspolymere anzusehen sind, da sie keine Poren wie die dreidimensionalen Strukturen besitzen. Die Poren sind nach der Synthese mit Gastmolekülen (zum Beispiel Lösungsmittel oder nicht umgesetzten Linkern) gefüllt. Durch die Entfernung der Gastmoleküle können die Poren zugänglich gemacht werden, wodurch jedoch auch einige Netzwerke kollabieren. Potentielle Anwendungsgebiete finden sich in Gasspeicherung (zum Beispiel Wasserstoff, Methan), Stofftrennung, Sensorik und Katalyse. Quelle: Wikipedia

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CHEMIE

Historische Stätten der Chemie

Wo Bunsen forschte, lehrte und wohnte Am 12. Oktober 2011 wurde die Heidelberger Wirkungsstätte von Robert Wilhelm Bunsen, ein gutes halbes Jahr nach dessen 200. Geburtstag, mit der Enthüllung einer Gedenktafel aus Bronze gewürdigt. Es ist das zehnte Mal, dass die Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) den Titel «Historische Stätte der Chemie» vergibt.

Ein Labor für anorganischanalytische Arbeiten

Robert Wilhelm Bunsen (Bild 1) war von 1852 bis 1889 Direktor des Chemischen Laboratoriums der Universität Heidelberg. Aus den Berufungsverhandlungen war er mit der Zusicherung für den Neubau eines eigenständigen chemischen Laboratoriums

Das neue chemische Laboratorium sei ganz auf Bunsens anorganisch-analytische Arbeiten zugeschnitten gewesen, heisst es auf der Gedenktafel, die am 12. Oktober 2011 am ehemaligen Bunsen-Laboratorium enthüllt wurde; und weiter: «Seine methodischen und apparativen Innovationen

Bild: Aus Lang, «Laboratorium» (1858); Ausschnitt

Bild 1. Dieses Foto nahm Henry Roscoe in seine am 29. März 1900 gehaltene «Bunsen Memorial Lecture» auf.

Bild 2. Das für Bunsen erbaute chemische Laboratorium in Heidelberg von Südwesten.

Bild: Aus Lang, «Laboratorium» (1858); Ausschnitt

Bild: Universitätsarchiv Heidelberg

herausgegangen; denn sein Vorgänger, Leopold Gmelin, forschte und unterrichtete in einem ehemaligen Dominikanerkloster, einem Gebäude, das unzureichend ausgestattet und zudem baufällig war. 1853 begannen die Planungen, 1854 die Bauarbeiten für Bunsens neues Laboratorium. 1855 wurde es als das modernste ChemieLaboratorium Europas eröffnet (Bilder 2 und 3). Für wie wichtig die Universität Heidelberg damals die chemische Forschung erachtete, kann der Tatsache entnommen werden, dass 97 Prozent der staatlichen Neubaumit tel an der Universität zwischen 1850 und 1860 für die Chemie ausgegeben wurden. Bild 3. Arbeitsplatz mit Anschlüssen für Gas, Wasser und Strom.

machten Bunsen zum Wegbereiter der Physikalischen Chemie. Mehr als 3000 Studierende aus aller Welt erlernten hier seine gasometrischen Verfahren und die gemeinsam mit Gustav Kirchhoff 1859/60 entwickelte Spektralanalyse. Mit dieser entdeckten beide die Elemente Cäsium (1860) und Rubidium (1861).» Bunsen, 1811 in Göttingen geboren, schloss mit nur 20 Jahren das Studium der Naturwissenschaften an der Universität Göttingen mit der Promotion ab. Anschliessende Studienreisen führten ihn durch verschiedene deutsche Länder, durch Frankreich und Österreich. Nach seiner Habilitation in Göttingen 1834 blieb er dort für zwei Jahre als Privatdozent. Es folgten drei Jahre als Lehrer an der Gewerbeschule Kassel, zwölf Jahre als Professor an der Marburger Universität und drei Semester an der Universität Breslau. Für die badische Landesregierung war Justus Liebig der eigentliche Favorit für die Nachfolge Gmelins in Heidelberg. Nach 12 / 2011

CHEMIE

Liebigs Absage konnte man Bunsen als den ÂŤzweiten Chemiker seiner ZeitÂť, als Ordinarius fĂźr Chemie gewinnen. Bunsen festigte diesen Ruf mit seinen Arbeiten zur Gasanalytik, zur Fotochemie und Spektralanalyse. Viele kamen nach Heidelberg, um sich von Bunsen selbst in dessen Methoden einweisen zu lassen.

Bild: Ann. Phys. Chem. (1857)

Aus Bunsens Schule gingen erfolgreiche Chemiker hervor, von denen nur Adolf von Baeyer, Hans Bunte, Theodor Curtius, Fritz Haber, Albert Ladenburg, Lothar Meyer, Charles Lee Reese oder Thomas Edward Thorpe genannt seien.

Bild 4. Wer kennt ihn nicht, den Bunsenbrenner, dessen erste Darstellung aus dem Jahr 1857 hier zu sehen ist.

Nachdem Bunsen aus gesundheitlichen GrĂźnden seinen RĂźcktritt eingereicht hatte, wurde Viktor Meyer, sein frĂźherer Assistent, sein Nachfolger. Er organisierte die Heidelberger Chemie grundlegend neu und schaffte den Ă&#x153;bergang vom Laboratorium zum arbeitsteiligen Forschungsinstitut. Wie

schon Bunsen, so hatte auch Meyer seine Dienstwohnung im LaboratoriumsgebĂ¤ude; sie wurde jedoch noch vergrĂśssert. Meyer errichtete bzw. plante noch zwei grĂśssere Neubauten. Bis Ende der 1950er-Jahre blieb Bunsens Laboratorium als Teil des Chemischen Instituts in Betrieb. Heute beherbergt der Bunsen-Bau nach umfassender Sanierung das Institut fĂźr Deutsch als Fremdsprachenphilologie der UniversitĂ¤t Heidelberg.

Weitere Informationen Wer mehr Ăźber Bunsen und das Heidelberger Chemie-Laboratorium erfahren mĂśchte, kann die kostenfreie BroschĂźre ÂŤRobert Wilhelm Bunsen und sein Heidelberger LaboratoriumÂť bei der GDCh (Renate Kiessling, r.kiessling@gdch.de) anfordern. Quelle: GDCh

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NEWS

Alfa Wärmetechnik neu bei Apaco AG in Grellingen rischen und Medium beheizten Dampferzeugern, thermischen Entgasungsanlagen, Speisewassergefässen, Rohrbündelwärmeaustauschern und Behältern ergänzt das Apaco-Angebot im Bereich wärmetechnische Verfahrenstechnik ideal. Beratung, Engineering und Auslegung, Installation sowie Service der Anlagen werden durch die ehemaligen Mitarbeiter der Abteilung Alfa Wärmetechnik weitergeführt. Apaco beschäftigt zusammen mit den 8 Personen der Alfa Wärmetechnik rund 90 Mitarbeiter am Standort in Grellingen. Quelle: Apaco AG

Bild: Apaco AG

Apaco AG Grellingen übernimmt die Abteilung Alfa Wärmetechnik mit der Vertretung Bosch Industriekessel ehemals Loos von der Firma Getinge, Rheinfelden. Apaco (www. apaco.ch) ist bereits in der Wärmetechnik tätig und bietet daher die ideale Grundlage für eine Fortsetzung des Bereichs Alfa Wärmetechnik. Die über 900 bestehenden Anlagen werden von Apaco ohne Unterbruch durch das bestehende Team weiter betreut. Apaco sorgt somit für Kontinuität und einen weiteren Ausbau der Wärmetechnik mit den bewährten Produkten der Firma Bosch Industriekessel. Das Bosch-Industriekessel-Produkteprogramm mit von elekt-

10 000-kg/h-Dampferzeuger mit 18 bar Betriebsdruck, zugehöriger Speisewasseraufbereitung (Entgasung) und Konditionierung in einem pharmazeutischen Produktionsbetrieb. Kürzlich geplant und realisiert von der Firma Alfa Wärmetechnik.

Nanotechnologie in Deutschland auf Wachstumskurs Als Schlüsseltechnologie hat die Nanotechnologie einen wachsenden Einfluss auf Forschung, Wirtschaft und Gesellschaft. Derzeit sind rund 64 000 Arbeitnehmer in Deutschland mit industriellen Anwendungen der Nanotechnologie befasst. Nach Angaben der beteiligten Unternehmen hat sich im Jahr 2011 die Zahl der Arbeitsplätze in diesem Bereich um rund 3000 erhöht. Das belegt der nano. DE-Report 2011, der im Auftrag des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) von der VDI Technologiezentrum GmbH erstellt worden ist. Der nano.DE-Report 2011 beschreibt die Entwicklung von Beschäftigten- und Umsatzzahlen, informiert über die Wettbewerbsposition Deutschlands im internationalen Vergleich und analysiert die gesellschaftlichen Rahmenbedingungen für die Nanotechnologie. 12

ternehmen. In der öffentlich finanzierten Forschung in Deutschland sind rund 10 000 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in ungefähr 600 universitären und institutionellen Forschungseinrichtungen im Bereich der Nanotechnologie tätig.

Die Broschüre steht zum Download zur Verfügung: www.bmbf.de/pub/ nanoDE-Report_2011.pdf

Die Zahl der Akteure, die sich mit Forschung und Entwicklung, Produktion und Dienstleistungen in der Nanotechnologie befassen, ist in den vergangenen Jahren kontinuierlich auf mittlerweile 1800 angestiegen, darunter sind in etwa 1000 Un-

Auch in der Wirtschaft nimmt die Bedeutung der Nanotechnologie zu. Für Nanomaterialien, Nanobeschichtungen, Nanoanalytik und Nanostrukturierung auf dem Weltmarkt schätzen Marktforschungsinstitutionen den Umsatz für das Jahr 2011 auf rund 93 Milliarden US $. Diese nanotechnologischen Produkte bilden in fast allen Industriebranchen die Basis für optimierte Komponenten und Systeme in nachgelagerten Wertschöpfungsstufen. Die

wirtschaftliche Bedeutung der Nanotechnologie reicht damit aufgrund dieser Hebelwirkung noch wesentlich weiter. Die Entwicklung der Nanotechnologie ist eng gekoppelt mit den sozio-ökonomischen Rahmenbedingungen auf nationaler und internationaler Ebene. Speziell beim industriellen Einsatz von Nanomaterialien können sich mögliche Risiken in Bezug auf den Verbraucher-, Arbeitsund Umweltschutz als Hemmnis bei der Vermarktung nanotechnologischer Produkte erweisen. Daher erhält die Risikoforschung für Nanomaterialien eine wichtige Rolle im Hinblick auf die verantwortungsvolle Nutzung der Nanotechnologie.

Quelle: BMBF 12 / 2011

NEWS

Paola Picotti erhält Latsis-Preis

Anerkennung von Berufsqualifika-

der ETH Zürich

tionen nach europäischer Richtlinie

Paola Picotti wird mit dem diesjährigen Latsis-Preis der ETH Zürich geehrt, und zwar für ihre herausragenden Beiträge in der Systembiologie. Dank ihrer Methode geht Forschern kaum mehr ein Protein aus einer Zelle unerkannt durch die Maschen. Picotti begann 2007 ihre Postdoc-Anstellung an der ETH Zürich in der Gruppe des Systembiologen Ruedi Aebersold. Ihr Mentor wollte komplexe Systeme von verschiedenen Proteinen und deren Wechselwirkungen untereinander erforschen und brauchte dazu erst eine Methode, mit der er alle Proteine, die zu einem bestimmten Zeitpunkt in einer Zelle vorliegen, zuverlässig, reproduzierbar und mit vernünftigem Zeitaufwand messen kann. Die Biologen konnten damals zwar die Eiweisse isolieren und mithilfe des Massenspektrometers analysieren. Weil aber in Zellen einzelne Proteine in riesigen Stückzahlen vorliegen, andere hingegen nur in ein paar Dutzend Kopien, gingen letztere im Grundrauschen der häufigen unter. Picotti verfeinerte deshalb die Methode stetig und entwickelte im Lauf der Zeit das Selected Reaction Monitoring (SRM) – für welches sie letztlich den LatsisPreis erhält. Dabei misst das Massenspektrometer nur gerade die Peptide, deren spezifische Daten, wie Masse und Ladung des Peptides, die Maschine kennt und die spezifisch für das gesuchte Protein sind. Mit dem SRM schuf sie die Grundlage für Proteom-Analysen von bisher nicht gekanntem Ausmass. So lassen sich Proteine in Zellen detektieren, von denen gerade noch 40 Kopien 12 / 2011

Bild: ETH Zürich

Paola Picotti

vorliegen. Zudem ist die Methode extrem effizient. Dies hat es ermöglicht, innerhalb kurzer Zeit Daten über Gruppen von Proteinen unter verschiedensten Bedingungen zu erhalten. Picotti hat nicht nur die Methode entwickelt, sondern selbst mehrere Proben aufs Exempel durchgeführt und beispielsweise die Proteine untersucht, die zu verschiedenen Zeitpunkten und unter verschiedenen Bedingungen am Stoffwechsel von Glukose in Hefezellen beteiligt sind. Mittlerweile wenden Forscher rund um den Globus das Messverfahren an. «Die Methode löst in der Biologie und der Biomedizin gegenwärtig einen gewaltigen Schub aus», sagt Picotti. Die Technik werde mittlerweile auf Gebieten angewandt, an die sie zuvor nie gedacht hätte. Vor Kurzem hat die gebürtige Italienerin die Gruppe von Aebersold verlassen. Im Mai dieses Jahres wurde sie zur Assistenzprofessorin für Biologie von Proteinnetzwerken ernannt. Das Geld, das der Schweizerische Nationalfonds stellt, erlaubt es ihr, eine eigene Forschungsgruppe mit eigenen Forschungsschwerpunkten aufzubauen. Text: Peter Rüegg, ETH Life (gekürzt)

Die Schweiz übernimmt die europäische Richtlinie 2005/36/ EG zur Anerkennung von Berufsqualifikationen, die in den EU-Mitgliedstaaten seit 2007 gilt. Die gegenseitige Anerkennung von Berufsqualifikationen zwischen der Schweiz und der EU/EFTA wird damit einfacher. Der Gemischte Ausschuss hat am 30. September 2011 die dafür notwendige Anpassung des Anhangs III des Freizügigkeitsabkommens Schweiz – EU unterzeichnet. Seit 1. November 2011 wird die Anpassung provisorisch angewendet. Der Grund für die provisorische Anwendung liegt beim neuen Meldeverfahren für Dienstleistungserbringer, das zuerst in einem Bundesgesetz verankert werden muss. Sobald dieses Gesetz erlassen ist, tritt der ganze Anhang III definitiv in Kraft. Mit der EU-Richtlinie 2005/36/ EG werden die Praxis der Diplomanerkennung vereinfacht und der Geltungsbereich auf die EU-Mitgliedstaaten Bulgarien und Rumänien ausgedehnt. Die wichtigsten Neuerungen in Kürze: ■ Das bisher geltende System der Diplomanerkennung wird konsolidiert: 15 bestehende Richtlinien werden in der neuen Richtlinie zusammengefasst. Diese vereinfacht die Zusammenarbeit mit den Mitgliedstaaten und erleichtert die personenbezogene Dienstleistungserbringung. ■ Für grenzüberschreitende Dienstleistungserbringer (Kurzaufenthalt bis 90 Tage pro Jahr) wird ein neues Meldeverfahren eingeführt. Von den Dienstleis-

tungserbringern wird eine vorgängige Meldung verlangt. Dieses neue Meldeverfahren wird in der Schweiz gesetzlich verankert. ■ Die Liste der automatisch anerkannten schweizerischen Titel wird aktualisiert: Neu werden der Bachelor FH in Pflege, Master in Architektur, die medizinische Spezialisierung in Infektiologie sowie gewisse Berufsprüfungen und höhere Fachprüfungen in den Anhang III des Freizügigkeitsabkommens aufgenommen. Mit dem Freizügigkeitsabkommen von 1999 nimmt die Schweiz am gemeinsamen System der EU zur Anerkennung von Diplomen teil. Dieses System ist nur auf reglementierte Berufe anwendbar. Als reglementiert gelten Berufe, deren Ausübung in einem Land vom Besitz eines bestimmten Diploms abhängig gemacht wird. Damit ein Diplom in einem anderen Staat anerkannt werden kann, müssen Inhalt und Dauer der Ausbildung vergleichbar sein. Für einige Berufe erfolgt die Anerkennung praktisch automatisch, da die Ausbildungsanforderungen harmonisiert wurden. Bei bestimmten Handwerksberufen kommt das System der Anerkennung der Berufserfahrung zur Anwendung. In allen anderen Fällen hat der Aufnahmestaat das Recht, Ausbildung und Berufserfahrung mit seinen Anforderungen zu vergleichen, eine Anerkennung zu gewähren oder Ausgleichsmassnahmen zu verlangen.

Quelle: EVD 13

NEWS

Clariant steigert Versorgung von Flugzeugenteiser Als einer der führenden Lieferanten von Flugzeugenteisern in Europa hat Clariant ihr Versorgungsnetzwerk für den Winter 2011–2012 ausgebaut. Dazu hat Clariant ihre Produktionskapazitäten durch neue Auftragsfertigungsvereinbarungen mit Partnern in Schweden und Russland gesteigert. Zudem

werden die Käufer den Status ihrer Bestellungen über ein Online-Portal verfolgen können, das alle Lieferungen in Echtzeit verfolgt.

den, sowie mit zwei Standorten in Moskau erreicht. Durch die Produktion von verdickten Flüssigkeiten des Typs II und IV werden diese zusätzlichen Standorte die Hauptproduktion von Clariant in Gendorf, Deutschland, ergänzen. Um Mitteleuropa zu versorgen, wird Clariant nicht nur die be-

Die Kapazitätssteigerungen wurden mit einer neuen, von Aerochem betriebenen Produktionsanlage in Udevalla, Schwe-

stehenden Produktions- und Lagerkapazitäten in Gendorf nutzen, sondern auch grosse neue Depots und Lager in ganz Deutschland. Die Auftragsfertigung und Lagerung für den finnischen Markt wird weiterhin in Rauma, Finnland, stattfinden. Quelle: Clariant

www.chemiextra.com IN KÜRZE ■ Lanxess kauft das US-Unternehmen Verichem Inc. mit Sitz in Pittsburgh (US-Bundesstaat Pennsylvania) und erweitert damit ihr Biozid-Geschäft. Der deutsche Spezialchemiekonzern stärkt zudem seine Position auf dem US-amerikanischen Markt für Materialschutzprodukte und erweitert sein globales Produktionsnetzwerk für Biozide. Beide Parteien haben über finanzielle Details Stillschweigen vereinbart. Verichem ist in Privatbesitz und beschäftigt aktuell rund 20 Mitarbeiter. Im Geschäftsjahr 2010 wurde einen Umsatz von rund zehn Millionen US-Dollar erzielt. Das Verichem-Produktionsgelände liegt in unmittelbarer Nähe des Hauptsitzes der US-Tochter Lanxess Corp. in Pittsburgh. ■ Michael Hampf ist neuer General Manager von K-Tron Deutschland. Hampf hat mehrjährige Erfahrung im Bereich Extrusion und Compounding

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IN KÜRZE

von Kunststoff, mit Fokus auf Schlüsselfertigen Compoundier- und Materialhandlingssystemen. Er hatte diverse Positionen im Verkauf, Marketing und in der Projektleitung bei Firmen wie Mann+Hummel und Coperion. Er besitzt einen Hochschulabschluss in Maschinenbau der Universität Kaiserslautern, Deutschland, mit Vertiefungsrichtung allgemeine Verfahrenstechnik. Hampf arbeitet im Büro in Gelnhausen und ist Richard Poole, Vice President of Global Sales, unterstellt. ■ Clariant (www.clariant.com) hat am 1. November 2011 die neue Zentrale für die Region Südostasien & Pazifik sowie die neue Zentrale ihrer globalen Geschäftseinheit Textile Chemicals bekannt gegeben. Beide befinden sich in Singapur. Ausserdem weihte Clariant das neue Ethoxylierungswerk sowie ein neues Anwendungslabor in Guangdong, China ein. Das

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IN KÜRZE

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Werk wird anfänglich über eine Produktionskapazität von rund 50 000 Tonnen Tensiden pro Jahr verfügen. ■ Roche und Anadys Pharmaceuticals, Inc. haben eine Vereinbarung über den Zusammenschluss der beiden Unternehmen getroffen haben. Danach wird Roche Anadys im Rahmen einer Bartransaktion für 3.70 USD pro Aktie vollständig übernehmen. Der Gesamtpreis für die Akquisition beläuft sich somit auf rund 230 Millionen USD. Die im kalifornischen San Diego ansässige Firma Anadys entwickelt kleinmolekulare orale Therapeutika für die potenzielle Behandlung der Hepatitis CVirusinfektion. ■ AkzoNobel Industrial Chemicals und Fluorchemie haben das Joint Venture CF Carbons GmbH für die Produktion, Marketing und Sales des Fluorkohlenwasserstoff HCFC22 (R22) in Frank-

IN KÜRZE

furt am Main gegründet. Finanzielle Details wurden nicht veröffentlicht. Das 50/50-Joint Venture der CF Carbons, das zum 1. Januar 2012 in Kraft tritt, wird eine bestehende Partnerschaft formalisieren und langfristig Stabilität für AkzoNobel, Fluorchemie und die Kunden des R22 bieten. AkzoNobel bringt Wissen über die Chlorproduktion ein, während Fluorchemie ihre Produktionsanlagen und Wissen über Fluor beisteuert. Die Anlage hat eine Produktionskapazität von 24 kt/Jahr. ■ Studierende der ETH Zürich haben an der diesjährigen «iGEM Competition» für synthetische Biologie am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge den ersten Platz in ihrer Kategorie erreicht. Als Wettbewerbsbeitrag entwickelten sie E. Coli-Bakterien, welche die Rauchkonzentration in einem Raum «messen» und ab einem gewissen Wert Alarm schlagen.

12 / 2011

Jungchemiker mit

Bilder: SCNAT

Prix Schläfli 2011 geehrt

Noch nie was von der SC 950 gehört? Ja, logisch!

Simon Duttwyler

Jérôme Waser

Simon Duttwyler und Jérôme Waser wurden am 18. November 2011 in Bern mit dem Prix A. F. Schläfli 2011 für ihre Forschungsarbeiten im Bereich der Chemie ausgezeichnet. Mit dem Preis zeichnet die Akademie der Naturwissenschaften (SCNAT) herausragende Arbeiten junger Schweizer Forscherinnen und Forscher aus. Die Preisverleihung fand im Rahmens des Jahreskongresses der SCNAT statt. Beide Preisträger haben in ihren Arbeiten gezeigt, wie chemische Reaktionen im Bereich der Funktionalisierung aromatischer Verbindungen erweitert werden können. So werden bis jetzt tief verborgene Wege der chemischen Reaktivität durch neue Reagenzien und Katalysatoren erschlossen. Diese Arbeiten sind für das fundamentale Verständnis von chemischen Reaktionen zentral und könnten auch für eine effizientere Herstellung von Feinchemikalien und Pharmazeutika von Nutzen sein. Simon Duttwyler, 1979 in Egg im Kanton Zürich geboren, untersuchte im Rahmen seiner Doktorarbeit an der Universität Zürich eine neue Familie von Siliciumkationen, die stabiler sind als bisher bekannte Verbindungen dieser Art. Mithilfe dieser Kationen entwickelte er eine neuartige Methode zur Herstel-

lung von hoch substituierten aromatischen Verbindungen. Die Experimente wurden unterstützt durch eine genaues Studium der strukturellen und elektronischen Eigenschaften dieser neuartigen Lewis-Säuren. Der vorgeschlagene Reaktionsmechanismus zeigt ein überraschendes Bild und kann den Weg in die Lehrbücher der organischen Chemie finden. Jérôme Waser wurde 1977 in Sierre im Wallis geboren. Im Rahmen seiner unabhängigen Forschung als Assistenzprofessor an der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) gezeigte er, wie klassische Reaktionen durch Verwendung neuartiger Reagenzien und Katalysatoren erweitert werden können. Auch diese fundamentalen Erkenntnisse werden das heutige Lehrbuchwissen erweitern. Konkret gelang Waser die direkte Alkinylierung, das heisst, die Einführung einer C-C-Dreifachbindung, von nicht aktivierten aromatischen Verbindungen mithilfe von Goldkatalysatoren. Dies bringt neben den bereits erwähnten interessanten mechanistischen Aspekten auch einen enormen Nutzen für eine effizientere Herstellung von pharmazeutischen Zwischenprodukten. Quelle: SCNAT

12 / 2011

Leistungsbereiche SC 950: Förderleistung: > 50l/min Endvakuum: < 2.0 mbar abs.

Macht alles, ausser Lärm. Das Vakuumsystem SC 950 mit Funk-Fernbedienung lässt keine Wünsche offen. Das neue Laborpumpensystem der Serie SC 950 überzeugt mit leichter Bedienbarkeit und hebt Präzision und Leistung auf ein neues Niveau. Das schnell und präzise arbeitende System ist durch seine kabellose Fernbedienung besonders platzsparend und ermöglicht stets eine einfache Steuerung des Vakuums. Das System bietet Ihnen vier verschiedene Betriebsmodi und eine Fülle neuer Funktionen, die Sie jederzeit von jedem Winkel des Labors oder ihrem Arbeitsplatz aus steuern können.

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First class pumps for first class science

BIOWISSENSCHAFTEN

Wie Fotosyntheseproteine in die Membran gelangen

Lichtsammler an Ort und Stelle bringen Wie die zur Fotosynthese notwendigen Lichtsammelkomplexe an ihren Wirkort in der Pflanzenzelle gelangen, berichten Biologinnen und Biologen der Ruhr-Universität Bochum. Das Team um Danja Schünemann (RUB-Arbeitsgruppe Molekularbiologie pflanzlicher Organellen) zeigte erstmals, dass ein Membranprotein mit nur einem einzigen löslichen Protein interagiert, um die Bausteine der Lichtsammelkomplexe in der Membran zu verankern. Die Forscher schlagen ein neues Modell vor, das die Integration in die Membran durch die Bildung einer Pore erklärt.

Bild: The American Society for Biochemistry and Molecular Biology

Fotosynthese findet in speziellen Bereichen der Pflanzenzellen, den Chloroplasten statt, wobei der energieumwandelnde Prozess in bestimmten Proteinkomplexen (Fotosystemen) erfolgt. Um die Lichtenergie einzufangen und effizient zu den Fotosystemen zu leiten, sind Lichtsammelkomplexe erforderlich, die wie Antennen arbeiten. «Die Proteine der Lichtsammelkomplexe sind die am häufigsten vorkommenden Membranproteine auf der Erde», so Beatrix Dünschede von der RUB. «Es gibt einen speziellen Transportmechanismus, der sie in die Chloroplasten befördert und dort in die Membran einbaut.» Wie genau die verschiedenen Transportproteine miteinander interagieren, war bislang unklar.

Bild 1. Proteine der Lichtsammelkomplexe (grün) müssen in spezielle Membranen im Inneren der Chloroplasten eingebaut werden (Thylakoidmembranen). Lösliche Proteine (43, 54) transportieren sie dorthin. Das Membranprotein Alb3 bildet durch Interaktion mit einem der löslichen Proteine (43) eine Pore, über die die Lichtsammelkomplexproteine in die Membran inseriert werden. (Bild veröffentlicht im «Journal of Biological Chemistry»)

Interaktion zwischen nur zwei Proteinen

zigen löslichen Transportprotein (cpSRP43) interagiert.

Am Transport beteiligt sind mehrere lösliche Proteine und das Membranprotein Alb3, das die Proteine der Lichtsammelkomplexe in die Membran einschleust. Die Bochumer Biologen untersuchten intakte isolierte Pflanzenzellen und fanden heraus, dass Alb3 zu diesem Zweck mit nur einem ein-

Dieses Ergebnis bestätigten sie in einem zweiten Experiment mit künstlichen Membransystemen. «In einem weiteren Versuch haben wir die Stelle in Alb3 identifiziert, an die sich das lösliche Protein cpSRP43 bindet», erklärt RUB-Biologe Thomas Bals. «Dabei stellte sich heraus, dass die Bindestelle 12 / 2011

BIOWISSENSCHAFTEN

teilweise innerhalb der Membran liegt und für cpSRP43 eigentlich nicht zugänglich sein kann.» Schünemanns Team erklärt die Daten mit einem neuen Modell. Die löslichen Transportproteine binden die Proteine der Lichtsammelkomplexe und befördern sie zur Membran. Dort interagiert das lösliche Transportprotein cpSRP43 mit dem Membranprotein Alb3, das daraufhin eine Pore bildet. Die Proteine der Lichtsammelkomplexe gelangen in die Pore und werden von dort seitlich in die Membran entlassen. «Es gibt Proteine in anderen Organismen, die

Alb3 sehr ähnlich sind und scheinbar auch Poren bilden», sagt Dünschede. «Das unterstützt unser Modell. Wir planen jetzt neue Versuche, um den gesamten Transportweg in einem künstlichen System nachzustellen.» Quelle: Ruhr-Universität Bochum Originalpublikation Beatrix Dünschede, Thomas Bals, Silke Funke, and Danja Schünemann, «Interaction Studies between the Chloroplast Signal Recognition Particle Subunit cpSRP43 and the Full-length Translocase

Alb3 Reveal a Membrane-embedded Binding Region in Alb3 Protein», J. Biol. Chem. 286, 35187–35195 (2011).

Kontakt Dr. Beatrix Dünschede Ruhr-Universität Fakultät für Biologie und Biotechnologie Universitätsstrasse 150 D-44780 Bochum Telefon +49 (0)234 32 28467 beatrix.duenschede@rub.de

Die Rolle von Calciumsignalen

Die Architekten des Gehirns Bestimmte Rezeptoren für den Botenstoff Glutamat legen die Architektur von Nervenzellen im sich entwickelnden Gehirn fest. Einzelne Rezeptorvarianten führen zu besonders langen und verzweigten Fortsätzen (Dendriten), mit denen die Zellen kommunizieren. Die Bochumer Forscher zeigten auch, dass die wachstumsfördernde Eigenschaft der Rezeptoren damit zusammenhängt, wieviel Calcium sie in die Zellen einströmen lassen. Die Ergebnisse erlauben Einblicke in die Mechanismen, mit denen sich Nervenzellen während der Entwicklung vernetzen.

Bilder: AG Entwicklungsneurobiologie

«Nervenzellen kommunizieren mit chemischen und elektrischen Signalen», erklärt Petra Wahle aus der RUB-Arbeitsgruppe Entwicklungsneurobiologie. «Die elektrische Aktivität steuert viele Entwicklungsprozesse im Gehirn und der Botenstoff Glutamat ist daran entscheidend beteiligt.» In zwei unterschiedlichen Zellklassen der Grosshirnrinde von Ratten untersuchten die Forscher die neun häufigsten Varianten eines Glutamatrezeptors, des sogenannten AMPA-Rezeptors. Dockt Glutamat an diesen Rezeptor an, strömen Calciumionen entweder direkt durch eine Pore im AMPARezeptor oder durch benachbarte Calciumkanäle in die Nervenzellen ein. Bild 1. Wachstum von Zellfortsätzen: Wenn Glutamat an den AMPA-Rezeptor andockt, strömen Calciumionen in die Nervenzelle ein. Sie bewirken die Produktion von speziellen Wachstumsmolekülen, die die Verlängerung und Verzweigung der Zellfortsätze (Dendriten) auslösen.

12 / 2011

BIOWISSENSCHAFTEN

Je nach Variante bestehen AMPA-Rezeptoren aus 800 bis 900 Aminosäurebausteinen, wobei der Austausch bereits eines Bausteins entscheidenden Einfluss auf die Calciumdurchlässigkeit hat. Calcium fördert unter anderem das Wachstum neuer Zellfortsätze. Das Bochumer Team brachte jeweils eine von neun AMPA-Rezeptorvarianten in die Nervenzellen ein und beobachtete, wie sich das auf die Zellarchitektur auswirkte. In mehreren Fällen führte der Einbau zu län-

geren Fortsätzen mit mehr Verzweigungen. Dieses Muster zeigte sich sowohl für einige Rezeptorvarianten, die Calciumionen durch eine Pore direkt in die Zelle einströmen lassen, als auch für solche, die benachbarte Calciumkanäle aktivieren. «Überraschend war, dass in den zwei untersuchten Zellklassen jeweils unterschiedliche Rezeptorvarianten das Wachstum der dendritischen Fortsätze auslösten», so Mohammad Hamad aus der AG Entwicklungsneurobiologie. «In den hemmenden Nervenzellen, den Interneuronen, war beispielsweise nur eine

Bild 2. Effekt eines Glutamatrezeptors: Die Forscher verglichen die Architektur spezieller Nervenzellen (Interneuronen) mit niedriger und hoher Anzahl eines bestimmten Glutamatrezeptors (GluA1(Q)-flip). Zellen mit viel GluA1(Q)-flip (rechts) hatten längere und verzweigtere dendritische Fortsätze als Zellen, in denen der Rezeptor nur selten vorkam (links).

einzige der neun Varianten wirksam. Calciumsignale sind wie ein Werkzeugkasten. Allerdings bedienen sich unterschiedliche Zellklassen in der Grosshirnrinde des Werkzeugkastens auf unterschiedliche Weise.» Quelle: Ruhr-Universität Bochum

Originalpublikation Hamad, M. I., et al., «Cell class-specific regulation of neocortical dendrite and Spine growth by AMPA receptor splice and editing variants», Development 138, 4301–4313 (2011).

Kontakt Prof. Dr. Petra Wahle Ruhr-Universität Fakultät für Biologie und Biotechnologie Universitätsstrasse 150 D-44780 Bochum Telefon +49 (0)234 32 24367 wahle@neurobiologie.ruhr-uni-bochum.de www.ruhr-uni-bochum.de

Mechanismus der Zellteilung

Chromosomen-Zentromere epigenetisch vererbt Zentromere sind Regionen des Genoms, die unter dem Mikroskop besonders deutlich in X-förmigen Chromosomen als Einschnürung zu erkennen sind. An ihnen setzt während der Zellteilung das Zellskelett an, das die Chromosomen auf die beiden Tochterzellen verteilt. Der Ort des Zentromers wird in den meisten Organismen nicht durch die DNA-Sequenz festgelegt. Am Max-Planck-Institut für Immunbiologie und Epigenetik in Freiburg konnten gezeigt werden, dass Position, Funktion und Vererbung des Zentromers durch ein DNA-Verpackungsprotein, das Histon CenH3, bestimmt wird.

Zentromere dienen als Plattform für den Aufbau eines Proteinkomplexes, des sogenannten Kinetochor. Dieser dient während der Zellteilung als Ansatzstelle für das Zellskeletts und ermöglicht, die Chromosomen zu den gegenüberliegenden Zellpolen zu ziehen. In den meisten Organismen wird der Ort des Zentromers nicht durch die Ab18

folge der Erbgutbausteine, also die DNASequenz, sondern epigenetisch festgelegt. Ausnahme ist lediglich die einzellige Bäckerhefe, in der eine spezifische DNA-Sequenz den Ort des Zentromers «codiert». Ein besonders vielversprechender Kandidat für eine solche epigenetische ZentromerMarkierung ist eine Variante des Histon H3

namens CenH3. Histonproteine binden die DNA weitgehend unabhängig von der zugrunde liegenden Sequenz und helfen das lange, fadenförmige DNA-Molekül zu verpacken. CenH3 kommt in unterschiedlichen Organismen ausschliesslich in DNA-Regionen rund um das Zentromer vor. Die For12 / 2011

Bild: Art For Science

BIOWISSENSCHAFTEN

Bild 1. Modell zur epigenetischen Vererbung des Zentromers, wie sie bei hĂśheren Organismen mit Zellkern ablĂ¤uft. Das Histon CenH3 sorgt wĂ¤hrend der Zellteilung dafĂźr, dass neues Protein in die beiden DNA-StrĂ¤nge eingebaut wird. So kann der Ort des Zentromers von Generation zu Generation weitergeben werden.

schungsgruppe von Patrick Heun des MaxPlanck-Instituts fĂźr Immunbiologie und Epigenetik in Freiburg und Kollegen des Helmholtz Zentrum MĂźnchen haben nun herausgefunden, dass CenH3 alleine ausreicht, um die Bildung eines Zentromers auszulĂśsen.

Bild: MPI fĂźr Immunbiologie und Epigenetik

FĂźr ihre Experimente statteten die Forscher das CenH3-Histon mit einer kĂźnstlich angehĂ¤ngten DNA-BindedomĂ¤ne aus, sodass das Protein an eine DNA-Region binden konnte, an der sich normalerweise kein Zentromer bildet. Nun entstand dort jedoch

ein funktionstĂźchtiger Kinetochor, der wĂ¤hrend der Zellteilung mit dem Zellskelett interagierte. Den Forschern gelang es auf diese Weise, kĂźnstliche Minichromosomen wĂ¤hrend der Zellteilung auf die beiden Tochterzellen zu verteilen. Das Protein kann dabei selbstĂ¤ndig weitere CenH3-Proteine rekrutieren. ÂŤDadurch ist sichergestellt, dass nach jeder Zellteilung genĂźgend CenH3 am Zentromer vorhanden ist. Andernfalls wĂźrden die vorhandenen CenH3-Proteine nach jeder Zellteilung immer um die HĂ¤lfte weniger werden. So kann die ZentromerPosition epigenetisch von Generation zu

Bild 2. Ein mit einer DNA-BindedomĂ¤ne (grĂźn) versehenes CenH3-Histon kann gezielt an einen spezifischen Abschnitt eines Chromatinfadens (rot) binden. Es rekrutiert natĂźrliches CenH3 (blau), das sich links und rechts von der DNA-BindedomĂ¤ne ausbreitet. Diese Eigenschaft ist ein wesentliches Merkmal der epigenetischen Vererbung des Zentromers.

Generation weitergegeben werdenÂť, sagt Heun. Der Schritt von einem DNA-identifizierten Zentromer in der BĂ¤ckerhefe, bei dem die Position ÂŤin Stein gemeisselt istÂť, hin zu einer Protein-definierten und damit leichter verĂ¤nderbaren Zentromerposition spielt mĂśglicherweise auch in der Evolution eine Rolle. Trotz ihrer GrĂśsse von bis zu mehreren Millionen DNA-Bausteinen kĂśnnen Zentromere an andere Stellen ÂŤspringenÂť, ohne dass sich dabei die DNA bewegt. So tritt beim Menschen in seltenen FĂ¤llen ein neues Zentromer auf, wie es auch bei nahe verwandten Affenarten vorkommt. Solche Neo-Zentromere kĂśnnten also die Ausbildung neuer Arten zur Folge haben. Auch fĂźr die Medizin kĂśnnten die Erkenntnisse Ăźber die zentrale Rolle von CenH3 fĂźr die Zentromer-IdentitĂ¤t wichtig sein. Als eine Alternative zur Gentherapie mit Viren mĂśchten Wissenschaftler nĂ¤mlich kĂźnstliche menschliche Chromosomen entwickeln. ÂŤDiese benĂśtigen jedoch wie ihre natĂźrlichen GegenstĂźcke ein Zentromer fĂźr die Zellteilung. Bislang ist es jedoch nicht gelungen, die Entwicklung eines Zentromers effizient zu steuernÂť, sagt Heun. Quelle: Max-Planck-Gesellschaft Originalpublikation MarĂa JosĂŠ Mendiburo, Jan Padeken, Stefanie FĂźlĂśp, Aloys Schepers, and Patrick Heun, ÂŤDrosophila CENH3 Is Sufficient for Centromere FormationÂť, Science 334 [6056], 686â&#x20AC;&#x201C;690 (2011). Kontakt Dr. Patrick Heun Max-Planck-Institut fĂźr Immunbiologie und Epigenetik StĂźbeweg 51 D-79108 Freiburg Telefon +49 (0)761 5108-717 heun@immunbio.mpg.de www3.ie-freiburg.mpg.de

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F O R S C H U N G S W E LT

Das kleinste Elektromobil der Welt

Ein Nano-Auto mit molekularem Allradantrieb Kleiner gehts nicht mehr: Das emissionsfreie, geräuschlose Allradfahrzeug, das Empa-Forscher gemeinsam mit niederländischen Kollegen entwickelt haben, ist Leichtbau im Extremen; das Nano-Auto besteht lediglich aus einem einzigen Molekül und fährt auf vier elektrisch angetriebenen Rädern nahezu geradlinig über eine Kupferoberfläche.

Bild 1. Das 4×2 Nanometer kleine Molekülauto fährt auf seinen elektrisch angetriebenen Rädern über eine Kupferoberfläche.

Ziel vieler Chemiker ist es, mithilfe ähnlicher Prinzipien und Konzepte molekulare Transportmaschinen zu entwerfen, die dann auf der Nanoskala bestimmte Arbeiten verrichten könnten. Wissenschaftlern der Universität Groningen und der Empa ist nun «ein entscheidender Schritt auf dem Weg zu künstlichen nanoskaligen Transportsystemen» gelungen, wie das Wissenschaftsmagazins «Nature» in der Ausgabe vom 20

10. November schreibt. Sie haben ein Molekül aus vier rotierenden Motoreinheiten – sprich: Rädern – synthetisiert, das kontrolliert geradeaus fahren kann. «Dabei braucht unser Auto weder Schienen noch Benzin; es fährt mit Strom. Es dürfte das kleinste Elektromobil der Welt sein – und dann erst noch mit Allradantrieb», sagt Empa-Forscher Karl-Heinz Ernst.

Reichweite pro Tankfüllung: noch verbesserungsfähig Der Nachteil: Das circa 4 × 2 Nanometer kleine Auto – rund eine Milliarde Mal kleiner als ein VW Golf – muss nach jeder halben Radumdrehung erneut mit Strom betankt werden – über die Spitze eines Rastertunnelmikroskops (STM, engl. für Scanning Tunneling Microscope). Ausserdem können sich die Räder aufgrund ihres molekularen Designs nur in eine Richtung drehen. «Es gibt keinen Rückwärtsgang», so Ernst lakonisch, der auch Professor an der Universität Zürich ist.

Bilder 1 und 2: Empa

Um mechanische Arbeit zu verrichten, greifen wir meist auf Motoren zurück. Mit diesen wandeln wir chemische, thermische oder elektrische Energie in Bewegungsenergie um, etwa um Waren von A nach B zu transportieren. Die Natur macht es gleich; in Zellen verrichten sogenannte Motorproteine – zum Beispiel Kinesin und das Muskelprotein Aktin – diese Aufgabe. Meist gleiten sie an anderen Proteinen entlang, ähnlich wie ein Zug auf Schienen, und «verbrennen» dabei ATP (Adenosintriphosphat), sozusagen das chemische Benzin der belebten Natur.

Der Antrieb des komplexen organischen Moleküls funktioniert gemäss «Bauplan» folgendermassen: Nachdem Ernsts Kollege Manfred Parschau es auf eine Kupferoberfläche sublimiert und die STM-Spitze in gebührendem Abstand darüber positioniert hatte, legte er eine Spannung von mindestens 500 Millivolt an. Nun sollten Elektronen durch das Molekül «tunneln» und dadurch reversible strukturelle Veränderungen in jeder der vier Motoreinheiten auslösen. In einem ersten Schritt findet eine cis-transIsomerisierung an einer Doppelbindung statt, eine Art Umlagerung – allerdings in eine räumlich extrem ungünstige Position, in der sich grosse Seitengruppen gegenseitig den Raum streitig machen. Als Folge davon klappen die beiden Seitengruppen aneinander vorbei und landen wieder im energetisch günstigeren Ausgangszustand – das Schaufelrad hat eine halbe Drehung

Bild 2. «Nature»-Titelblatt der Ausgabe vom 10. November 2011 mit dem wohl «kleinsten Elektromobil der Welt».

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ÂŤproof of conceptÂť nĂ¤mlich, dass einzelne MolekĂźle externe elektrische Energie aufnehmen und in eine gezielte Bewegung umwandeln kĂśnnen. Als nĂ¤chstes planen Ernst und Co., MolekĂźle zu entwickeln, die sich mit Licht antreiben lassen, etwa in Form eines UV-Lasers. Quelle: Empa

Bild: Kurt Hermann

Originalpublikation Tibor Kudernac et al., ÂŤElectrically driven directional motion of a four-wheeled molecule on a metal surfaceÂť, Nature 479, 208â&#x20AC;&#x201C;211 (2011). Bild 3. Nur das hier gezeichnete meso-(R,S-R,S)-Isomer des MolekĂźls bewegt sich auf der KupferoberflĂ¤che vorwĂ¤rts.

absolviert. Drehen sich alle vier RĂ¤der simultan, sollte das Auto vorwĂ¤rts fahren. So wollte es zumindest die Theorie aufgrund der MolekĂźlstruktur.

Fahren oder nicht â&#x20AC;&#x201C; eine Frage der Orientierung Und genau das beobachteten Ernst und Parschau: Nach zehn STM-Anregungen hatte sich das MolekĂźl um sechs Nanometer nach vorne bewegt â&#x20AC;&#x201C; auf einer mehr oder weniger geraden Linie. ÂŤDie Abweichungen von der vorhergesagten Trajektorie kommen daher, dass es nicht ganz trivial ist, alle vier Motoreinheiten zeitgleich anzuregenÂť, erklĂ¤rt ÂŤTestfahrerÂť Ernst.

Dass das MolekĂźl sich tatsĂ¤chlich so verhĂ¤lt wie vorhergesagt, zeigte ein weiteres Experiment. Um die zentrale Achse, eine CC-Einfachbindung â&#x20AC;&#x201C; das Chassis des Autos sozusagen â&#x20AC;&#x201C;, kann ein Teil des MolekĂźls frei rotieren. Es kann also auf der KupferoberflĂ¤che in zwei verschiedenen Orientierungen ÂŤlandenÂť: in einer richtigen, in der alle vier RĂ¤der sich in die gleiche Richtung drehen, und in einer falschen, in der die RĂ¤der der Hinterachse sich nach vorne, die vorderen aber nach hinten drehen â&#x20AC;&#x201C; das Auto bleibt trotz Anregung stehen. Auch dies konnten Ernst und Parschau mit dem STM klar verfolgen. Ein erstes Ziel hat das niederlĂ¤ndischschweizerische Team also erreicht, ein

Kontakt Prof. Dr. Karl-Heinz Ernst Empa, Nanoscale Materials Science Ă&#x153;berlandstrasse 129 CH-8600 DĂźbendorf Telefon +41 (0)58 765 4363 karl-heinz.ernst@empa.ch www.empa.ch

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Brückenschlag zwischen Nanooptik und Nanomechanik

Mit Ultraschall steuerbarer photonischer Kristall Forschern der Universität Augsburg ist es gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen an der University of California in Santa Barbara (UCSB) gelungen, eine Brücke zwischen Nanophotonik und Nanomechanik zu schlagen: Sie berichten über einen durch Ultraschall steuerbaren photonischen Kristall, in dem quantenmechanische Effekte dafür sorgen, dass Lichtquanten (Photonen) mit hoher Effizienz und sehr schnell in diesem Kristall erzeugt und moduliert werden können. In greifbare Nähe rückt damit eine hoch effiziente, akustisch gesteuerte «Einzelphotonenquelle», wie sie für zahlreiche Anwendungen dringend benötigt wird.

gleichsam wie künstliche Atome – nur Licht einer ganz bestimmten Wellenlänge aussenden. Das Besondere an den Quantenpunkten ist, dass das Licht sie in Form einzelner Lichtquanten (Photonen) verlässt.

Bild: H. Krenner

Passgenauigkeit deutlich weniger als ein Nanometer

Bild 1. Darstellung eines photonischen Kristalls unter dem Einfluss einer akustischen Oberflächenwelle, die diesen periodisch räumlich und zeitlich moduliert. Dadurch ist es möglich, die «Farbe» des abgestrahlten Lichts mit der Frequenz des «Nanobebens» um mehrere Linienbreiten spektral zu verschieben.

Forscherinnen und Forscher der Universität Augsburg, die am Augsburg Center for Innovative Technologies (ACIT) sowie am Center for NanoScience (CeNS) und im Exzellenzcluster Nanosystems Initiative Munich (NIM) arbeiteten erfolgreich mit Kolleginnen und Kollegen vom California Nano Systems Institute (CNSI) an der University of California in Santa Barbara (UCSB) zusammen. Sie stellten eine frei tragende, hauchdünne Membran aus einem Halbleitermaterial her, in die mit Methoden der Nanotechnologie eine grosse Zahl periodisch angeordneter winziger Löcher geätzt wurde. In einer solchen photonischer Kristall genannten Struktur kann sich das Licht nur in einem engen Frequenzbereich und entlang ausgezeichneter Richtungen ausbreiten. Als Lichtquelle werden in den Kristall so genannte Quantenpunkte integriert, die – 22

Bislang war es allerdings technologisch nicht möglich, die Frequenz beziehungsweise Wellenlänge dieser Quanten-Lichtquellen exakt auf den Durchlassbereich des photonischen Kristalls abzustimmen. Denn um dies zu erreichen, müssen beide – die Lichtquellen und der Durchlassbereich – bis auf deutlich weniger als einen Nanometer zur Deckung gebracht werden. Gelingt dies jedoch, kann bei genügend hoher Güte des photonischen Kristalls das Lichtfeld des Emitters mit diesem in Resonanz gebracht werden. Der quantenmechanische PurcellEffekt sorgt dann dafür, dass eine immens erhöhte Lichtausbeute erzielt werden kann, zehnmal so schnell und wesentlich präziser als jeder andere Ansatz. Dieses Problem wurde ebenso einfach wie elegant gelöst: Durch den Einsatz winziger Erdbeben auf dem Kristall, durch sogenannte akustische Oberflächenwellen, ist es möglich, die Halbleitermembran mit ihren vielen, präzise angeordneten Löchern zusammen mit den Quantenpunkten bei Mikrowellenfrequenzen periodisch zu dehnen und zu strecken (Bild 1). Durch diese periodische Dehnung und Streckung wird innerhalb einer drittel Nanosekunde auch der Durchlassbereich des photonischen Kristalls periodisch hin und hergeschaltet und mit dem Licht der Quantenpunkte in Resonanz gebracht – und zwar zehnmal so

schnell und wesentlich präziser als mit irgendeinem anderen Ansatz weltweit.

Eine Spezialität der Augsburger Forschungsgruppe Der Doktorand Daniel Fuhrmann und sein Betreuer Hubert Krenner, der am Lehrstuhl für Experimentalphysik I der Universität Augsburg (Achim Wixforth) eine EmmyNoether-Nachwuchsgruppe leitet, sind begeistert über den Erfolg: «Nachdem die Idee des akustisch modulierten photonischen Kristalls schon einige Zeit in unserer Forschungsgruppe existiert, ist es eine besondere Freude, wenn man nach vielen technologischen Mühen und Anstrengungen dann eines Tages erstmals wirklich die rasend schnelle Modulation der Emissionswellenlänge im Takt des Nanobebens auf dem Chip sehen kann», so Daniel Fuhrmann. «Wir haben – und das freut mich nicht minder – wieder einmal gezeigt, dass unsere Spezialität, die akustischen Oberflächenwellen nämlich, auch im Bereich der Nanophotonik für grosse Überraschungen und exzellente Forschungsergebnisse gut sind!»

Das Nanobeben auf dem Chip In der Augsburger Arbeitsgruppe werden solche Wellen nämlich für ganz unterschiedliche Zwecke über die Chips gejagt: In einem vielfältigen Spektrum, das von Biochips zur Untersuchung einzelner Zellen über die Vervielfältigung genetischen Materials oder das Verständnis biophysikalischer Phänomene wie der Blutgerinnung bis hin zur Untersuchung von Quanten-Halleffekt und Metall-Isolatorübergängen reicht, 12 / 2011

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haben die Nanobeben auf dem Chip in den vergangenen Jahren immer wieder beachtliche Forschungsergebnisse ermöglicht, mit denen sich die Arbeitsgruppe einen Namen auf der ganzen Welt gemacht hat. Über sein Ergebnis hinaus ist das Experiment von Fuhrmann und seinen bayerischkalifornischen Kolleginnen und Kollegen auch ein gutes Beispiel für die internationale Zusammenarbeit zwischen den beiden High-Tech-Bundestaaten diesseits und jenseits des Atlantiks: Sowohl Krenner als auch Wixforth haben lange Zeit an der UCSB in Santa Barbara geforscht und sind dort häufige Gäste.

«Wir sind überzeugt davon», so Wixforth, «dass basierend auf den bahnbrechenden Ergebnissen dieser Forschungskooperation in Kürze eine hoch effiziente, akustisch gesteuerte ‹Einzelphotonenquelle› realisiert werden kann, wie sie für Anwendungen in der Quantenoptik, in der Kryptografie oder auch für den ‹optischen Computer› dringend benötigt wird.» Quelle: Universität Augsburg Originalpublikation Daniel A. Fuhrmann, Susanna M. Thon, Hyochul Kim, Dirk Bouwmeester,

Pierre M. Petroff et al., «Light extraction from organic light-emitting diodes enhanced by spontaneously formed buckles», Nature Photonics 5, 605–609 (2011). Kontakt Dr. Hubert J. Krenner Universität Augsburg Lehrstuhl für Experimentalphysik I Universitätsstrasse 1 D-86159 Augsburg Telefon +49 (0)821 598 3301 hubert.krenner@physik.uni-augsburg.de www.physik.uni-augsburg.de

Ein Thermometer für die Nanowelt, bestehend aus 80 Atomen

Bild: zvg

Bild 1. Prinzip des Aufheizens eines Nanomagneten durch einen Tunnelstrom: Elektronen (blau) tunneln von der Nadelspitze eines Rastertunnelmikroskops (gelb) in den Nanomagneten. Aus der Frequenz des magnetischen Schaltens wird dann die Temperatur bestimmt – hier symbolisiert durch ein Thermometer. Bei niedrigem Strom besitzt der Nanomagnet die Temperatur seiner Umgebung (links). Wird der Strom erhöht, so heizen die Elektronen den Nanomagneten auf (rechts).

Wir kennen es aus alltäglichen Anwendungen wie zum Beispiel dem Tauchsieder: Fliessen Elektronen durch einen Draht, so erwärmt sich dieser. Doch was passiert auf der atomaren Ebene? Forschern vom Institut für Angewandte Physik der Universität Hamburg ist nun gelungen, die Entstehung von Wärme auf atomarer Skala zu untersuchen. Hierfür beobachteten die Wissenschaftler um Roland Wiesendanger das thermische Hin- und Herschalten eines aus lediglich 80 Eisenatomen bestehenden Nanomagneten und verwendeten ihn so als Thermometer. Da12 / 2011

bei nutzten sie das Prinzip des Tunnelns: Positioniert man eine magnetische Nadelspitze sehr nah über dem Magneten und legt eine elektrische Spannung an, so fliesst ein Tunnelstrom. Je näher sich dabei die Nadel über dem Magneten befindet, desto grösser ist der fliessende Strom. Es zeigte sich, dass analog zum Tauchsieder der Tunnelstrom zu einer Erwärmung des Magneten führt. Mit einem sogenannten spinpolarisierten Rastertunnelmikroskop im Ultrahochvakuum untersuchten die Forscher die Schaltfrequenz des Nanomagneten bei verschiedenen Stromstärken. Aus der jeweils gemessenen Frequenz gelang es, direkt die entsprechende Temperatur des Magneten zu bestimmt. Dabei zeigte sich, dass bereits ein Strom von einem Mikroampere ausreicht, um den Magneten um 1 °C zu erwärmen, während seine unmittelbare Umgebung vom Strom unbeeinflusst blieb. Zusätzlich fanden die Forscher heraus, dass der Tunnelstrom den Nanomagneten in eine Vorzugsrichtung zwingt: Er schaltet nicht mehr gleichmässig zwischen zwei Orientierungen hin und her, sondern bevorzugt eine Orientierung, die der Magnetisierungsrichtung der Nadel entspricht. Die Experimente ergaben, dass dieses Spinstromschalten mit einem Rastertunnelmikroskop um Grössenordnungen effektiver ist als mit Techniken, bei denen der zu

schaltende Magnet in ein Schichtsystem eingebettet ist. Die Experimente erlauben den Forschern einen detaillierten Einblick in die elektrischen und magnetischen Wechselwirkungen zwischen Elektronen und Materie auf atomarer Skala. Mögliche zukünftige Anwendungen dieser Technik sind zum Beispiel kleinste thermisch schaltende Nanomagnete, die als Sensoren oder Manipulatoren in industriellen Fertigungsprozessen eingesetzt werden, um hoch präzise lokale Temperaturen zu messen. Quelle: Sonderforschungsbereich 668 Originalpublikation S. Krause, G. Herzog, A. Schlenhoff, A. Sonntag, and R. Wiesendanger, «Joule Heating and Spin-Transfer Torque Investigated on the Atomic Scale Using a Spin-Polarized Scanning Tunneling Microscope», Phys. Rev. Lett. 107, 186601 (2011). Kontakt Dipl.-Chem. Heiko Fuchs Universität Hamburg Institut für Angewandte Physik Jungiusstrasse 11a D-20355 Hamburg Telefon +49 (0)40 4 28 38 69 59 hfuchs@physnet.uni-hamburg.de www.sfb668.de 23

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Eine Kamera mit 1440 Sensoren und integrierter Elektronik

Der kosmischen Strahlung auf der Spur Forscher der ETH Zürich haben eine innovative Kamera für die Hochenergie-Astronomie entwickelt. Mit dieser lassen sich die von der kosmischen Strahlung induzierten Lichtblitze erstmals auch bei viel Umgebungslicht, zum Beispiel bei Vollmond, nachweisen. Erst kürzlich konnte die Kamera in Betrieb genommen werden und lieferte erste Bilder.

Lars Gubler

Kosmische Beschleuniger identifizieren

Neues Teleskop ist ein Gemeinschaftswerk

Eine vielversprechende Methode, Antworten auf dieses Rätsel zu finden, ist die Hochenergieastronomie. Mit sogenannten Cherenkov-Teleskopen wird nach den ext-

Seit wenigen Jahren existieren neuartige Halbleitersensoren, sogenannte G-APD, die sich gegenüber den bisher verwendeten Fotoröhren durch eine grössere Robustheit

und einfachere Bedienung auszeichnen. Die G-APD sind quasi eine Spezialität des Institutes für Teilchenphysik. So wurde vor Kurzem auch ein neuartiger PET-Scanner für die Medizin entwickelt und am Animal Imaging Center der ETH Zürich erfolgreich getestet. Für das neue Teleskop entwickelte die ETH Zürich in Zusammenarbeit mit der Universität Zürich spezielle Lichtleiter, welche die Verwendung von G-APD in CherenkovTeleskopen erst ermöglichen. Daraus wurde an der ETH eine neuartige Kamera mit 1440 Sensoren und integrierter Elektronik entwickelt und gebaut. Nach erfolgreichen Tests baute das Team die Kamera auf der kanarischen Insel La Palma auf einer Höhe von 2200 m in ein bereits existierendes Teleskop ein, das von den Universitäten Dortmund und Würzburg sowie der EPF Lausanne mit verbesserten Spiegeln und einer neuen Steuerung ausgestattet wurde. Die EPF Lausanne und die

Bilder: IPP/ETH Zürich

Es ist eines der grossen Rätsel der Wissenschaft: Vor 99 Jahren entdeckte der österreichische Physiker Viktor Hess, dass unsere Erde fortwährend von hochenergetischen Teilchen aus den Tiefen des Alls getroffen wird. Wo diese Teilchen – auch kosmische Strahlung genannt – herkommen, ist fast einhundert Jahre nach dieser Entdeckung noch weitgehend ungeklärt. Es müssen kosmische Beschleuniger existieren, die Teilchen zu sehr viel höheren Energien beschleunigen, als es selbst mit dem leistungsstarken LHC am Cern möglich ist.

rem schwachen Lichtblitzen gefahndet, die von hochenergetischen Teilchen in der Atmosphäre erzeugt werden. Dazu benötigt man eine hochempfindliche Kamera, die mehrere 100 Millionen bis Milliarden Bilder pro Sekunde aufnehmen kann. In den letzten zehn Jahren gelang es, mit Cherenkov-Teleskopen mehr als 140 der hellsten galaktischen und extragalaktischen Beschleuniger zu identifizieren, aber eine bedeutend grössere Anzahl liegt vermutlich noch im Verborgenen. Die Beobachtungen werden dadurch limitiert, dass alle bisherigen Kameras durch zu viel Umgebungslicht zerstört werden können.

Bild 1. Das First G-APD Cherenkov Telescope nimmt Daten während der Vollmondnacht vom 11. Oktober 2011. Der Spiegel hat eine Fläche von 9,5 Quadratmetern. Im Hintergrund links: der 235 Quadratmeter grossen Spiegel eines der riesigen Magic Cherenkov Teleskope.

Bild 2. Ein einzelner Lichtleiter auf einen einzelnen Sensor geklebt.

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Bild 3. Erste Klebetests zwischen Eintrittsfenster der Kamera, Lichtleiter, Sensoren und Auslesekabel.

Universität Genf entwickelten wichtige Teile der Software für das sogenannte First G-APD Cherenkov Teleskop (Fact) Projekt. Insgesamt sind rund 45 Physiker, Ingenieure und Techniker an der Entwicklung von Fact beteiligt.

Erste Bilder bei Vollmond In einer klaren Vollmondnacht im Oktober, nur wenige Stunden nach Montage der Kamera, konnten bereits die ersten Lichtblitze

Bild 4. Die fertige Fokalebene der Kamera wartet auf den Einbau und Anschluss an die Elektronik.

gemessen werden. Das Umgebungslicht war mehr als 100-mal stärker als bisher üblich für Beobachtungen mit CherenkovTeleskopen. Adrian Biland vom Institut für Teilchenphysik (IPP) der ETH Zürich und Sprecher der Fact-Kollaboration sagt: «Ich hatte nicht erwartet, dass wir so schnell so brillante Bilder sehen werden. Und das schon gar nicht bei Vollmond. Wir starrten ganz erstaunt auf die Monitore.» Seit einiger Zeit weiss man, dass bei einem Typ kosmischer Beschleuniger die Helligkeit

sehr stark und schnell ändern kann. Mit der neuen Kamera wird es nun möglich, dieses Phänomen lückenloser zu beobachten. Davon versprechen sich die Forscher, die Wirkungsweise dieses kosmischen Beschleunigers bald besser verstehen zu können. In den kommenden Monaten wird der Betrieb des Teleskops inklusive der Kamera optimiert. Danach beginnen die wissenschaftlichen Beobachtungen mit Fact. Quelle: ETH Life vom 2. November 2011

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FIRMEN BERICHTEN

Doppelakkreditierung gemäss ISO Guide 34 und ISO/IEC 17025

Qualitätssicherung auf höchstem Niveau

Auf Basis der Anforderungen der ISO/IEC 17025 an die Kompetenz von Kalibrierlaboratorien betreibt die Messer Schweiz seit über 20 Jahren ein konsequentes Qualitätsmanagement bei der Herstellung und Kalibrierung von Gasgemischen. Diese Kalibriergase werden in den analytischen Labors der Kunden unter anderem bei der Umweltanalytik, bei Emissions- und Immissionsmessungen, bei Erdgasanalysen und bei der Zertifizierung von Abgaswerten von Kraftfahrzeugen eingesetzt. Die im Zuge der Kalibrierung dokumentierte Rückführung der Kalibrierergebnisse auf international anerkannte Standards sowie die Angabe der Messunsicherheit ermöglichen den Kunden die Zuverlässigkeit ihrer eigenen Messungen sicherzustellen. Mit der jetzt ausgesprochenen Akkreditierung gemäss ISO Guide 34:2009 wird über die bereits bescheinigte Kompetenz hinaus nunmehr auch bestätigt, dass die bei der Messer Schweiz AG installierten Prozesse zur Herstellung und Distribution von Gasgemischen den höchsten Qualitätsanforderungen zur Herstellung von zertifizierten Referenzmaterialien genügen. Zertifizierte Referenzmaterialien (CRM) spielen in der analytischen Chemie eine wesentliche Rolle als Bezugspunkte, die höchsten metrologischen Ansprüchen genügen. Sie werden vorrangig in Labors eingesetzt, die Regularien wie GMP oder ISO/ IEC 17025 unterliegen. Im ISO Guide 34 sind die Kompetenzen und Tätigkeiten definiert, die ein Hersteller von Referenzmaterialien mindestens erfüllen muss. Besondere Bedeutung besitzen hierbei • die Produktionsplanung, • die Prüfung und Verarbeitung der Einsatzstoffe, • die Herstellungsprozesse sowie die Produktions- und Qualitätskontrollen, 26

• die Durchführung von Tests zur Bestätigung der Homogenität und der Stabilität des zertifizierten Referenzmaterials, • die Charakterisierung des Referenzmaterials/die Bestimmung der Kenndaten, • die Zuordnung der Kenndaten und Unsicherheitsangaben zu den Referenzmaterialien, • die Freigabe der Kenndaten und das Ausstellen der Zertifikate, • die Handhabung und Lagerung der Referenzmaterialien sowie der Transport/die Verteilung und der Kundenservice. Während des von der Schweizerische Akkreditierungsstelle (SAS) durchgeführten Akkreditierungsverfahrens konnte die Messer Schweiz AG zeigen, dass alle Tätigkeiten, die die Qualität der Referenzmaterialen beeinflussen, gemäss den Forderungen des ISO Guide 34:2009 geregelt sind und dass die Herstellung der Gasgemische konsequent diesen Regelungen folgt. Da die meisten Messergebnisse über die Kalibrierung unmittelbar von der Qualität des Referenzmaterials beeinflusst werden, ist die Wahl des Referenzmaterialherstellers eine Sache des Vertrauens. Mit dem Erreichen der Doppelakkreditierung nach ISO 17025 und ISO Guide 34 festigt die Messer Schweiz AG Ihre Position als führender Hersteller von Gasgemischen höchster Qualität. Kontakt Messer Schweiz AG Andreas Frey Leiter Produktion und Analytik Spezialgase Seonerstrasse 75 CH-5600 Lenzburg Telefon +41 (0)62 886 41 71 andreas.frey@messer.ch www.messer.ch

Bild: Messer Schweiz AG

Die Messer Schweiz AG wurde als erster Schweizer Gaselieferant als Hersteller von gasförmigen Referenzmaterialien gemäss ISO Guide 34 akkreditiert. In Zusammenhang mit der bereits 1989 erreichten Akkreditierung als Kalibrierlabor gemäss ISO/IEC 17025 hält das Labor in Lenzburg nunmehr die Doppelakkreditierung, die das höchste erreichbare Niveau der Qualitätssicherung bei der Herstellung von Gasgemischen repräsentiert.

Bild 1. Thomas Frieden bei der Analyse eines Spezialgasgemischs.

Die Messer Schweiz AG Die Messer Schweiz AG hat ihren Hauptsitz in Lenzburg und besteht aus drei zentralen Bereichen: dem hochmodernen Flaschenabfüllwerk mit Produktionsanlage für Wasserstoff und Spezialgasewerk am Hauptsitz in Lenzburg, der neuen Luftzerlegungsanlage für Sauerstoff, Stickstoff und Argon in Visp sowie der Asco Kohlensäure AG als kompetenter Anbieter rund um Kohlendioxid und Trockeneis in Romanshorn.

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Bild 1. Zellkultivierung im biopharmazeutischen Prozess mit Single-Use-Systemen.

Produktion im Plastikbeutel

Single-Use-Technologien, ein Statusbericht Modularisierung, Flexibilität, geringe Umrüstzeiten, Minimierung von Kontaminationsrisiken – wer die Ansprüche an Produktionsprozesse in kleinem Massstab konsequent zu Ende denkt, landet fast zwangsläufig beim Konzept der Single-Use-Technologien. So verwundert es kaum, dass diese in den letzten Jahren den Weg aus der Nische in breite Anwendungen gefunden haben.

In den vergangenen zehn Jahren hat die Vielfalt und Anzahl der auf dem Markt erhältlichen Single-Use-Systeme in biopharmazeutischen Entwicklungs- wie auch Produktionsprozessen stetig zugenommen. Im Jahr 2009 wurde eine jährliche Wachstumsrate von 35 Prozent erreicht, die vor allem Produkten für das Upstream Processing zuzuschreiben war. Single-Use- oder Disposable-Technologien basieren auf Komponenten, die in der Regel aus Kunststoffmaterial bestehen und für den einmaligen Gebrauch bestimmt sind. Der Grundstein dafür wurde mit dem ersten Kunststoffblutbeutel durch die Firma Fenwal Laboratories (heute Fenwal Blood Techniques, Illinois) im Jahre 1953 gelegt. In den 1960er-Jahren kamen Kunststoffflaschen, Kunstsstoffkolben, Kunststoffpetrischalen und 96-Wellplatten auf den Markt, die für Routinearbeiten im Zellkul28

turlabor zunehmend ihre Gegenspieler aus Glas ersetzten. In den frühen 1970er-Jahren entwickelten Knazek und sein Team den ersten Hohlfaserbioreaktor und zeigten, dass Säugerzellen unter in-vivo-ähnlichen Bedingungen zu Hochzelldichten wachsen können. Das bildete die Voraussetzung für die in den 1980er-Jahren populäre In-vitroProduktion diagnostischer und therapeutischer Antikörper im mg-Bereich. Ebenfalls Mitte der 1970er-Jahre begannen Nunc und Bioferon (heute Rentschler) mit der Produktion von Wannenstapeln aus Polystyren. Diese auch als CellFactories bekannten Systeme wurden überwiegend zur Kultivierung adhärenter Säugerzellen genutzt und lösten in den 1990er-Jahren die bis dahin zum Beispiel in der Impfstoffproduktion verwendeten Rollerflaschen in Good Manufacturing Practice (GMP)-Produktionen ab.

Breites Produktspektrum für das Upstream Processing Heute kann der Anwender auf eine Vielzahl von Produkten unterschiedlichster Anbieter zurückgreifen. Die Single-Use-Systeme werden dabei mehrheitlich in Prozessen genutzt, in denen proteinbasierte Biotherapeutika aus Säugerzellen das Zielprodukt sind. Die Verfügbarkeit eines weiten Spektrums an Komponenten, geeigneten Sensoren und Single-Use-Pumpen erlaubt heute die Realisierung eines kompletten Single-Use-Upstream-Processing bis 2 m3 Kulturvolumen. Wellendurchmischte Bioreaktoren (Wave Bioreactor von GE Healthcare und Biostat CultiBag RM von Sartorius Stedim Biotech) sind ebenso erhältlich wie gerührte SingleUse-Bioreaktoren in verschiedenen Ausführungen (zum Beispiel rigide Kunststoffkessel von Mobius CellReady, UniVessel SU, 12 / 2011

VERFAHRENSTECHNIK

CelliGen Blu oder flexible Beutel-(Bag-) Systeme von S.U.B., Biostat CultiBag STR, XDR Bioreactor). Sie unterscheiden sich hinsichtlich Grösse, Wirk- und Mischprinzip sowie Instrumentierung und zeichnen sich durch eine definierte Fluiddynamik aus. Für die Realisierung sich ständig wiederholender Teilaufgaben (Mischen, Lagern und Transportieren, Inokulumproduktion und Fermentation sowie Biomasseabtrennung) hat sich ausserdem die Zusammenfassung verfahrenstechnischer Grundoperationen zu Prozessplattformen bewährt. Prozessplattformen sind technisch umgesetzte, gut definierte Abläufe von Prozessen oder Prozessschritten. Es gibt sie bereits in unterschiedlicher Grösse sowie Anzahl und Reihenfolge der Prozessschritte für die Medienherstellung, die Fermentation und die Biomasseabtrennung. Technische Grenzen für den Einsatz der Single-Use-Technologien im Upstream Processing ergeben sich aus den eingesetzten Kunststoffen. Ihnen sind hinsichtlich Stabilität, Einsatzbereich, Massstabvergrösserung und Handling Grenzen gesetzt. Gegenwärtig liegt die Grössengrenze anwenderseitig bei 1000 bis 2000 Liter Bagvolumen und 30-Zoll-Filterkartuschen, auch wenn herstellerseitig grössere Bagsysteme (bis 5000 Liter) offeriert werden. Anlagenkapazitäten oberhalb dieser Grössenordnung werden durch die Anwender aktuell durch Parallelisierung bewerkstelligt. Nach jüngsten Umfragen der Aspen Brook Consulting scheint das für über 80 Prozent der Anwender ausreichend.

Nachholbedarf im Downstream-Bereich Obwohl der zunehmende Einsatz von Single-Use-Technologien für das UpstreamProcessing auch die Entwicklung von Systemen für das Downstream Processing nach sich zog, haben sie dort noch nicht die Bedeutung erlangt wie im Upstream-Bereich. Die zur Herstellung biopharmazeutischer Produkte angewendeten, verfahrenstechnischen Grundoperationen im DownstreamBereich beinhalten klassische Filtrationsverfahren und chromatografische Schritte, aber auch neuartige Technologien wie funktionelle Filtrations-/Absorptionsverfahren und Mixed-Mode-Technologien. Der Begriff «Mixed-Mode» steht dabei für einen mul12 / 2011

tiplen Retentionsmechanismus als Grundlage der Wechselwirkungen zwischen Probe und Sorbens. Der Abfüllprozess des formulierten Endprodukts ist in der biopharmazeutischen Produktion dagegen in den meisten Fällen ein klassischer Flüssigtransfer mit oder ohne finale Gefriertrocknung. Aus den Grundoperationen werden die zur Isolierung und Aufreinigung des Produktes geeigneten Methoden ausgewählt und zu einer Sequenz zusammengefügt. Die Reihenfolge und Qualität der verwendeten Methoden variiert dabei in Abhängigkeit der Eigenschaften und Anforderungen an die Qualität des zu reinigenden Produktes. Wie im Upstream-Processing kommen auch im Downstream-Processing die Hauptvorteile beim Einsatz von Single-Use-Technologien gegenüber klassischen, wiederverwendbaren Systemen zum Tragen: • niedrigere Investitionskosten, • verkürzte Entwicklungsund Implementierungszeiten, • reduzierter Qualifizierungsund Instandhaltungsaufwand und • erhöhte Flexibilität. Dennoch besteht im Downstream-Bereich noch Nachholbedarf. Schon etabliert sind Einwegmischer bis 1000 Liter sowie die Einwegversionen klassischer Mikrofiltrations- (0,1/0,2 µm) und Tiefenfiltrationssysteme, während die Ultrafiltration nach wie vor ein Flaschenhals ist. Ganz anders verhält sich die Situation bei den chromatografischen Systemen. Den Vorteilen Flexibilität und reduzierter Zeitund Kostenaufwand durch vorgepackte, sofort nutzbare («ready-to-use»-) Säulen stehen die Kosten für die eingesetzten chromatografischen Gele als Nachteil gegenüber. Für Prozesse mit häufigen Ernten und Aufreinigungen in Säulen mit hoher Lebensdauer sind chromatografische Einwegsysteme momentan keine attraktive Lösung. Es laufen Neuentwicklungen, die auf die Leistungssteigerung bei gleichzeitiger Kostenreduktion im Prozess in Verbindung mit Single-Use-Technologien abzielen. Dazu gehören der Einsatz von Mixed-Mode-Sorbenzien sowie sequentiellen Chromatografien, die durch neue Selektivitäten im Proteincapture und die effizientere Ausnutzung eine signifikante Reduktion des benötigten Chromatografiemediums ermöglichen. Die eher zögerliche Entwicklung im Bereich der Chromatografie hat jedoch zur Entwick-

lung von alternativen Aufreinigungstechniken geführt. Funktionelle Filtrationen mit Membranadsorbern kombinieren die Vorteile der Einwegfiltration mit funktionellen Oberflächen, vor allem mit Ionenaustauscher- und Affinitätseigenschaften. Sie werden von vornherein als Single-Use-Systeme konzipiert. Dennoch sehen Experten wie Detlef Eisenkrätzer, Roche GmbH, im Fehlen von preiswerten Alternativen zu «Mehrweg»-Affinitäts-Chromatografiesäulen eines der grössten Hindernisse für den Einsatz von Single-Use-Technologie.

Monitoring und Automatisierung Hinsichtlich Prozessmonitoring und Automatisierungstechnik verfügen Single-UseSysteme bis jetzt nicht über den vollen Funktionsumfang wie ihre traditionellen Gegenspieler. Sie sind sowohl mit In-situals auch Ex-situ-Sensoren ausgerüstet. Insitu-Sensoren, welche im Kontakt mit dem Kulturmedium stehen, müssen sterilisierbar sein. Ex-situ-Sensoren, welche entweder eine nicht-invasive Überwachung mittels optischer Sensoren durch ein transparentes Fenster oder klassischer Sensoren innerhalb eines Probenahmestroms ausserhalb der Sterilbarriere ermöglichen, brauchen das nicht. Für die Messung von Standard-Prozessparametern wie Druck, Temperatur, und zum Teil auch pH und pO2 gibt es mehrere Systeme, so dass die Messbarkeit dieser Grössen gewährleistet ist. Für weitere Prozessparameter ist die Auswahl der zur Verfügung stehenden Analytik jedoch eingeschränkt auf die Systeme, für die ein Hersteller eine Integrationsmöglichkeit in sein Produkt anbietet. Konkret bedeutet das, dass die verwendbare Analytik in der Regel durch die Auswahl des Anbieters des Single-Use-Systems vorgegeben ist.

Hürden beim Einsatz von Single-Use-Technologien Sowohl im Upstream- als auch im Downstream-Processing sind die verfahrenstechnische Charakterisierung der Single-UseSysteme und ihre Standardisierung noch unzureichend. Limitationen von Single-UseSystemen umfassen aber auch die Begrenzung bezüglich Druck, Durchflussraten, 29

VERFAHRENSTECHNIK

Zentrifugalkräften, der Temperatur und der O2- bzw. CO2-Strippingraten. Als weitere Beschränkungen sind mögliche Leachables und Extractables, die Grössenbegrenzung, die erhöhten Kosten für das Verbrauchsmaterial, die Lieferantensicherheit und die noch mangelnde Sensortechnik in Verbindung mit der Automatisierung zu nennen. Schliesslich erfordert die erfolgreiche Implementierung von Single-Use-Technologien auch Veränderungen und neue Ansätze bei der Anlagenrealisierung, der Mitarbeiterschulung, der Qualitätssicherung und Abläufen der Produktion, die bereits in der Planungsphase beginnen. Nichtsdestotrotz erlauben die auf dem Markt verfügbaren Produkte bei richtigem Einsatz und richtiger Handhabung kleinere, billigere, grünere, sicherere und schnellere Entwicklungen sowie Produktionen. Das erklärt wohl auch die Tatsache, dass sie inzwischen aus klein- sowie mittelvolumigen Verfahren für Biopharmazeutika und Biosimilars in allen Hauptprozessschritten, vor allem aber dem Upstream-ProcessingBereich, nicht mehr wegzudenken sind. Das betrifft die schnelle Entwicklung sowie das «Auf-den-Markt-bringen» neuer Biotherapeutika wie zum Beispiel von Antikörpern und Veterinär- sowie humanen Impfstoffen. «Wir sehen vor allem im Bereich der Impfstoffe vielversprechende Anwendungsfelder: kleine Volumen, kampagnenweise Produktion, flexible Produktionsanforderungen, Risiko von Crosskontamination, hier können Single-Use-Technologien ihre Vorteile ausspielen», meint Karsten Behrend, M+W Process Industries GmbH. Die Mehrheit der Biotherapeutikaproduzenten (vor allem Lohnhersteller) nutzt wo immer möglich Single-Use-Systeme. Im deutschsprachigen Raum sind das unter anderem Baxter Österreich, Boehringer Ingelheim, Hoffmann La-Roche Deutschland und Schweiz, Merck Serono Deutschland und Schweiz, Novartis Schweiz und Österreich, Rentschler und Werthenstein BioPharma. Noch dominieren in solchen Firmen hybride Produktionsanlagen, in denen SingleUse- und traditionelle Systeme aus Glas oder Edelstahl kombiniert werden. Doch werden erste Produktionsanlagen, die durchgängig mit Single-Use-Systemen arbeiten, geplant. Dem generellen Trend hin zu Single-Use-Systemen tragen auch die 30

Bild 2. Gemeinsam von Sartorius Stedim Biotech und Wave Biotech AG entwickelt: der EinwegBioreaktor Biostat CultiBag RM zur Kultivierung scherkraftempfindlicher Zellen.

global operierenden Entwickler und Hersteller Rechnung. Von ihnen haben GE Healthcare, Merck Millipore und Sartorius Stedim Biotech gegenwärtig das grösste Portfolio. Innerhalb der Entwickler und Hersteller ist jedoch sehr viel Bewegung. Vereinzelt kommen neue Akteure auf den Markt, doch rechnen Experten mit einer Konsolidierung des Markts in den nächsten Jahren. Im Vorteil sind diejenigen Firmen, die eine breite Produktpalette haben und dem Anwender im Rahmen des Gesamtprozesses vielseitige Unterstützung garantieren können.

Facility Layout, Handhabung und Entsorgung Herausforderungen bei der Umstellung auf Single-Use-Systeme liegen vor allem im Facility Layout, in der Handhabung und in der Entsorgung. Das Facility Layout wird neben den betrieblichen Auflagen vor allem durch die behördlichen getrieben und hat das potenzielle Risiko der Verunreinigung des Wirkstoffes im Fokus. So resultieren hohe Anforderungen an die Qualität der Reinraumausführung sowie der zugehörigen Lüftungs- und Klimatechnik. Neben den erforderlichen Investitionskosten stellen hierbei insbesondere die Betriebskosten einen nicht unerheblichen Anteil dar. Der Einsatz von Einwegsystemen ist meist mit der Durchführung vieler manueller Schritte bei der Anwendung verbunden; ge-

nerell ist der Automatisierungsgrad der Systeme geringer als der vergleichbarer klassischer Systeme. Oft wird ein Gesamtsystem zur Durchführung eines Prozessschritts aus Einzelkomponenten zusammengesetzt. In einigen Anwendungsfällen (zum Beispiel Verwendung von Gefahrstoffen oder Organismen mit Gefährdungspotenzial) sollte vor Einsatz des Systems die Integrität des Gesamtsystems geprüft werden. «Einweg-Systeme sind überwiegend manuell gefertigt, lassen sich aber nur schwer oder gar nicht auf Integrität beim Endanwender prüfen. Dieser hat daher nicht die Möglichkeit festzustellen, ob ein EinwegSystem beispielsweise durch den Transport oder die Handhabung vor Ort beschädigt wurde, was letztlich zu Undichtigkeiten im System führen würde, und gleichzeitig eine Kontamination bzw. einen effektiven Produktverlust erzeugt. Dadurch entstehen dem Anwender erhebliche Verluste, die ihn schon im Vorfeld dazu bewegen, von einer technischen Einweg-System-Lösung Abstand zu nehmen», erläutert Jens Kubischik, Pall GmbH Life Sciences. «Aus diesem Grund ist ein vertrauensvolles Verhältnis zwischen Lieferant und Anwender unabdingbar, und wird durch einen transparenten Herstellungsprozess, der zum Beispiel im Rahmen eines Audits inspiziert werden kann, gestärkt.» Zu einer erfolgreichen Implementierung von Single-Use-Technologien in einen biopharmazeutischen Herstellungsprozess ge12 / 2011

VERFAHRENSTECHNIK

hört schliesslich auch die Sicherstellung der Entsorgung. Da es sich bei den Single-UseSystemen häufig um Verbundwerkstoffe handelt, liegt die Herausforderung in der Trennung der Materialien. Neben unterschiedlichen Kunststoffen werden teilweise auch Metalle als Einbauten verwendet. Da heute schon in ausgewählten Applikationen sämtliche Prozessschritte aus SingleUse-Systemen realisiert werden, ist das Abfallvolumen entsprechend gross. Die dabei anfallenden Beutel, Schläuche, Filter etc. sind unter Umständen mit Organismen und/oder mit umweltgefährdenden Chemikalien belastet und müssen vor der Entsorgung entsprechend behandelt werden. Die Entsorgung der Kunststoffe erfolgt üblicherweise durch Verbrennung oder manchmal auch durch Deponierung. Gegenwärtig sind nur bedingt Systeme am Markt erhältlich, die die grossen Abfallmengen zerkleinern oder kompaktieren können. Insbesondere im Zusammenhang mit der Inaktivierung/Dekontamination gibt es so gut wie keine Lösung auf dem Markt. Ausserdem gibt es keine Möglichkeit, die Verbundstoffe vor Ort zu trennen, um sie gegebenenfalls einer Wiederverwertung zuzuführen. Das bedeutet, dass eine aufwendige und kostenintensive Logistik erforderlich ist, die den Vorteil der Single-Use-Technologie im Prozesseinsatz schmälern kann. Hier besteht ein grosser Bedarf, der durch innovative Lösungen gedeckt werden muss; Konzepte

für den Materialfluss müssen schon in der Planungsphase berücksichtigt werden. Da es in anderen Industriezweigen, wie zum Beispiel der Lebensmittelindustrie, bereits ähnliche Fragestellungen, aber auch Lösungsansätze gibt, sollte eine Adaption auf den Biotechnologiesektor möglich sein.

Neue Anwendungsfelder für Single-Use-Technologien Es ist anzunehmen, dass der Markt für Single-Use-Technologien für die Herstellung der proteinbasierten Therapeutika nicht in dem Masse weiterwachsen wird, wie das bisher der Fall war. Gelingt die notwendige Weiterentwicklung, kommen wir der kompletten Single-Use-Produktionsanlage und damit der Single-Use Factory in der Box aber immer näher. «Eine Vision ist die in einem Container integrierte Impfstofffabrik aus SUS, die es binnen kürzester Zeit an einem beliebigen Ort in der Welt (das Personal mit dem Fachwissen natürlich vorausgesetzt) erlaubt, den Impfstoff herzustellen», sagt Regine Eibl, Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften. Darüber hinaus scheinen neue Applikationen für die Single-Use-Bioreaktoren wahrscheinlich, die • die Herstellung mikrobieller Nischenprodukte, • Produktionsverfahren mit Algen sowie auf

• pflanzlichen Suspensionszellen, Wurzelkulturen und mesenchymalen Geweben basierende Produkte für den Pharma-, Food- und Kosmetikbereich zum Ziel haben. «Es gibt bereits zahlreiche zu 100 Prozent in SUS etablierte Fermentationsprozesse mit tierischen Zellkulturen. Ihre Zahl wird wachsen», sagt Detlef Eisenkrätzer, Roche GmbH. Entscheidend werden die Biotherapeutika der jüngsten Generation jedoch die Weiterentwicklung der Single-Use-Technologie prägen. «Eines der vielversprechendsten zukünftigen Anwendungsfelder für die Single-Use-Technologie ist die personalisierte Medizin und hier vor allem die Produktion von Zelltherapeutika mit Stamm- und TZellen», meint Regine Eibl. Zelltherapeutika gelten als wichtiges Produktsegment der personenspezifischen Medizin und umfassen die seit Anfang der 1990er-Jahre auf den Markt drängenden Produkte für die regenerative Medizin (Haut, Knorpel und Knochen) sowie das erste personenspezifische Vakzin, das im April 2010 die FDA-Zulassung zur Therapie von Prostatakrebs erhielt. Um die Zelltherapie, die verglichen mit dem etablierten Manufacturing von Proteintherapeutika noch in den Kinderschuhen steckt, zum kommerziellen Erfolg zu führen, sind innovatives Equipment und neue Technologien zwingend notwendig. Single-UseSysteme werden hier bedingt durch die Produktanforderungen und -verwendung zum «Muss». Mehr als 200 Zelltherapeutika für die Transplantationsmedizin, Krebs- und Aids-Therapien befinden sich derzeit im Stadium der klinischen Erprobung – eine gewaltige Chance nicht nur für die Medizin, sondern auch für die Single-Use-Technologien.

Bilder: Sartorius AG

Quelle: Dechema

Bild 3. In der biopharmazeutischen Herstellung von monoklonalen Antikörpern, Impfstoffen oder therapeutischen Proteinen ist die Filtration ein wesentlicher Bestandteil der Prozesskette. So werden Einwegfilter zur Bioburdenkontrolle und Partikelentfernung eingesetzt und Sterilfilter zur Sterilfiltration in der Endabfüllung verwendet.

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Weitere Informationen Dieser Trendbericht basiert auf einem umfangreichen Statuspapier des Temporären Arbeitskreises Single-Use-Technologien der Dechema, das unter anderem auch Herstellerübersichten sowie zahlreiche weitere Details zur verfügbaren Produkten und Komponenten beinhaltet. Es kann unter biotech.dechema.de/Publikationen heruntergeladen werden. 31

VERFAHRENSTECHNIK

Entfernung organischer Schadstoffe

Abwasser mit UV-Licht kontrolliert reinigen Viele Industrieabwässer enthalten organische Verunreinigungen, die in kommunalen Kläranlagen nicht abgebaut werden können. Forscher am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart haben in Zusammenarbeit mit europäischen Partnern ein automatisiertes Reinigungssystem entwickelt, das die organischen Schadstoffe mittels UV-Licht abbaut und während der Behandlung den Reinigungserfolg kontrolliert.

Derzeitige Verfahren stossen an ihre Grenzen: Denn gelöste Verunreinigungen können nicht durch Filtration entfernt werden. Membranverfahren konzentrieren die Schadstoffe, bauen sie aber nicht ab und thermische Verfahren verbrauchen generell viel Energie.

Schadstoffe ohne Chemikalien entfernt Eine Lösung, mit der organische Schadstoffe oxidativ – ohne den Einsatz von Chemikalien – aus dem Wasser entfernt werden, haben Forscher am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in dem von der Europäischen Union geförderten Projekt Light4CleanWater entwickelt. In Zusammenarbeit mit ihren Partnern haben sie eine Demonstrationsanlage gebaut, welche die oxidative Behandlung mittels UV-Licht mit einer Echtzeit-Messung des gesamten organisch gebundenen Kohlenstoffs (total organic carbon, TOC) als Mass für den Reinigungserfolg und einer vollautomatischen Steuerung kombiniert. Im Reaktionstank der Anlage strahlt wahlweise eine Mitteldruck- oder ein VakuumUV-Lampe energiereiches UV-Licht in das 32

Abwasser. Treffen für das Auge unsichtbare, sehr energiereiche Strahlen von nur 172 Nanometer Wellenlänge auf Wassermoleküle, werden aus diesen hochreaktive Hydroxylradikale abgespalten. In einer Kettenreaktion lösen diese die Bildung weiterer Radikale aus. «Treffen diese Radikale auf organische Schadstoffe, werden sie in kleinere, biologisch abbaubare Verbindungen wie kurzkettige organische Säuren zerlegt», erläutert Verfahrensingenieurin Christiane Chaumette die Wirkung der UV-Strahlung.

TOC-Gehalt als Mass für den Abbau Um sicherzustellen, dass nur sauberes Wasser die Anlage verlässt, wird während der UV-Behandlung kontinuierlich eine Probe aus dem Reaktionstank gezogen und auf den Gehalt an organischem Kohlenstoff (TOC) analysiert. Ist der zuvor eingestellte Grenzwert erreicht, wird das gereinigte Abwasser automatisch heraus- und weiteres verunreinigtes Wasser in den Reaktionstank hineingepumpt. «100 Liter Abwasser pro Stunde kann der Laborprototyp auf diese Weise behandeln. Im Praxistest wurde der Farbstoff Methylenblau innerhalb nur weniger Minuten vollständig entfernt. Und selbst bei hoch belastetem Abwasser aus der Papierherstellung konnten wir den TOC auf den erforderlichen Grenzwert reduzieren», so Chaumette. Der Prototyp steht nun Industriebetrieben zur Verfügung, um den Abbau organischer Verunreinigungen in realem Abwasser zu untersuchen. Denn kein Abwasser gleicht dem anderen. «Kriterien für den Erfolg der Abwasserreinigung sind neben der Art der

Bild: Fraunhofer IGB

Ob Steak oder Käse, Karosserieblech oder Kolben, Farben oder Papier: Für den Herstellungsprozess von Lebensmitteln, Metallteilen und Chemikalien sowie die Reinigung von Produktionsanlagen wird Wasser benötigt. Ein Teil dieses Prozesswassers wird dabei mit organischen Verbindungen verunreinigt, die in den kommunalen Kläranlagen nicht oder nur schwer abgebaut werden. In diesen Fällen müssen die Abwässer bereits vor der Einleitung in das Kanalnetz behandelt werden.

Bild 1. Vollautomatisierter Prototyp zur Reinigung von Industrieabwasser mit UV-Licht.

Verunreinigungen auch deren Konzentration und das anfallende Volumen», weiss die Verfahrensingenieurin. Letzteres ist wichtig, um den Energieverbrauch abzuschätzen. «Die Daten liefern uns die Grundlage für ein kostengünstiges industrielles System, welches im Betrieb Abwässer effektiv und ohne den Einsatz chemischer Hilfsstoffe behandelt», ergänzt Abteilungsleiter Siegfried Egner im Hinblick auf geplante Arbeiten. Quelle: Fraunhofer-Gesellschaft

Kontakt Dipl.-Ing. Christiane Chaumette Fraunhofer-Institut für Grenzflächenund Bioverfahrenstechnik IGB Nobelstrasse 12 D-70569 Stuttgart Telefon +49 (0)711 970 4131 Christiane.Chaumette@igb.fraunhofer.de www.igb.fraunhofer.de 12 / 2011

Bild: BASF

VERFAHRENSTECHNIK

Bild 1. Die Caprolactamfabrik am Standort Ludwigshafen der BASF.

Der Ausgangsstoff für Polyamid 6

Seit 50 Jahren Caprolactam aus Ludwigshafen Seit einem halben Jahrhundert produziert BASF am Standort Ludwigshafen in einem grosstechnischen kontinuierlichen Prozess Caprolactam. Die Fabrik ging im November 1961 in Betrieb. Seitdem haben rund 6,5 Millionen Tonnen des Polyamid-6-Vorprodukts die Anlage verlassen..

globalen Geschäfteinheit Polyamid und Vorprodukte. Mit zwei weiteren Fabriken in Antwerpen, Belgien, und Freeport, Texas, USA, sowie einer gesamten Produktionskapazität von 800 000 Jahrestonnen ist BASF heute der weltweit grösste Hersteller von Caprolactam.

Ein Stück BASF-Geschichte

Bild 2. Die ersten beiden Stufen der Produktion von Polyamid 6 aus Caprolactam.

«Wir haben den Produktionsprozess in den letzten 50 Jahren ständig verbessert und die Kapazität der Anlage während des laufenden Betriebs kontinuierlich gesteigert – und das ohne grössere Gesamtabschaltungen der Anlage. Das ist ein Beweis für die hohe Kompetenz der Produktionsmannschaft beim Umgang mit einer sehr komplexen Technologie. Und es zeigt die Vorteile der Einbettung in den BASF-Verbund», sagt Hermann Althoff, Leiter der 12 / 2011

Die Geschichte von Caprolactam und die Geschichte von BASF sind eng miteinander verbunden, denn Caprolactam ist der Ausgangsstoff für Polyamid 6 (PA 6), auch bekannt unter dem Markennamen Ultramid. Die grosstechnische Produktion des Vorprodukts ebnete den Weg dafür, dass BASF heute einer der führenden Hersteller von Polyamiden ist, und stellt das Rückgrat der Polyamid-6- Wertschöpfungskette im BASFVerbund dar. Schon 1939, als die BASF Polyamid 6 erstmals herstellte, war klar, welches Potenzial in dem Kunststoff steckte. Er war fester, zäher und beständiger als alle bisherigen Thermoplaste. Im selben Jahr noch wurde deshalb in Ludwigshafen die erste Ver-

suchsanlage für Caprolactam aufgebaut. Mit Beginn des Kunststoffzeitalters in den fünfziger Jahren stieg die Nachfrage nach dem Rohstoff rasant an. Im November 1961 ging deshalb die Fabrik in Ludwigshafen in Betrieb, die heute ihr Jubiläum feiert. Ein Jahr später folgte eine weitere Anlage in Freeport. 1967 startete die grosstechnische Produktion in Antwerpen.

Technische Kunststoffe, Extrusion und Fasern Polyamid 6 – und damit auch Caprolactam – ist aus der Welt der technischen Kunststoffe, der Extrusions- und Faserpolymere nicht mehr wegzudenken. Die Anwendungen reichen von transparenten und flexiblen Lebensmittelverpackungen, Angelschnüren, Fischnetzen, Kabelummantelungen, Textilfasern für Sportbekleidung und Teppiche bis hin zu Leichtbauteilen für Automobile. Quelle: BASF Weitere Informationen www.polyamides.basf.com 33

VERFAHRENSTECHNIK

Bild: Stefan Uhlmann

Zwei Schnecken für die optimale Mischung

Bild 1. Die neuartige Doppelschnecke wird künftig in eine grössere Anlage integiert und weiter getestet werden.

Die Professur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung der TU Chemnitz war an der Entwicklung eines neuartigen Doppelschneckenextruders beteiligt. Seine wichtigsten Einsatzgebiete sind die Kunststoffherstellung und die chemische Industrie. Mit Naturfasern verstärkte Kunststoffe kommen immer häufiger im Fahrzeugbau zum Einsatz. Sie werden beispielsweise in der Verkleidung des Autoinnenraums verwendet, wo durch die eingearbeiteten Naturfasern – etwa Holz oder Hanf – der Kunststoff erheblich stabiler wird. Für die WerkstoffAufbereitung für solche Bauteile werden Extruder genutzt. Diese Anlagen schmelzen den Kunststoff auf, lagern anschliessend Naturfasern ein und sorgen gleichzeitig für die Formgebung der Bauteile. An der Entwicklung einer neuen Bauweise eines Doppelschneckenextruders war die Fachgruppe Extrusionstechnologien der Professur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung (SLK) der Technischen Uni-

versität Chemnitz beteiligt. «Der Doppelschneckenextruder mit dem Namen Twinflex Compounder ist ein vollkommen neues System, das die Funktionalitäten eines Einschnecken- und Doppelschneckenextruders sowie die eines Kneters und Walzwerkes in einer Maschine vereint», sagt Stefan Uhlmann, Wissenschaftlicher Mitarbeiter der Professur SLK. Entwicklungspartner ist die Firma Noris Plastic aus dem fränkischen Altdorf. «Der neue Doppelschneckenextruder ergänzt etablierte kontinuierliche Systeme, wie gleich- und gegenläufige Extruder, und diskontinuierliche Systeme, wie Walzwerke und Kneter», so Uhlmann. Eine Besonderheit ist, dass beide Schnecken einzeln angetrieben werden. Die Kommunikation der beiden Antriebsstränge ist dabei elektronisch gesteuert. Dadurch lassen sich die Drehrichtungen und auch die Geschwindigkeiten individuell variieren. Die Temperatur, auf die die zu verarbeitende Kunststoffschmelze aufgeheizt wird, bleibt jedoch unabhängig von der Schneckendrehzahl konstant. Auch die Winkelstellung der beiden Schnecken zueinander ist einstellbar. Die Anlage kann sich dadurch optimal an die zu verarbeitenden Materialien anpassen. «Es sind auch einzelne Verfahrensabschnitte mit maximalem Druckaufbau möglich. Ausserdem kann durch die Verdrehstellung der Schnecken bei Verfahrensabschnitten eine maximale Mischwirkung erreicht werden», sagt Uhlmann. Insgesamt ist der Masseaustausch zwischen den Schnecken nach Angabe der Wissenschaftler besser als bei bisherigen Anlagen, was für einen guten Mischeffekt sorgt.

Für die Verarbeitung von Naturfasern eignet sich der Doppelschneckenextruder vor allem durch einen grossen Einzugsbereich, der es erlaubt, auch voluminöses Material zu verwenden. Für Anwendungen in der chemischen Industrie bietet die Neuentwicklung ebenfalls Vorteile: «Der Doppelschneckenextruder ist optimal für verweilzeitabhängige Verfahren, also zum Beispiel Entgasungs- und reaktive Prozesse», sagt Uhlmann. Schnecken und Zylinder sind modular aufgebaut. Da die beiden Schnecken berührungslos rotieren, ist der Verschleiss der Anlage gering. «Die Anlage bietet hohe Leistung auf kleinem Raum: Sie kann 350 Kilogramm pro Stunde verarbeiten und benötigt eine Standfläche von nur 3,3 Quadratmetern», so Uhlmann. Das neuartige Extruderkonzept wurde zur Patentanmeldung eingereicht. Aktuell erproben die Forscher der TU Chemnitz die Anlage weiter und passen sie noch besser für die energieeffiziente Aufbereitung von Biopolymeren und Naturfasern an. Quelle: TU Chemnitz

Kontakt Stefan Uhlmann Technische Universität Chemnitz Fakultät für Maschinenbau Reichenhainer Strasse 70 D-09126 Chemnitz Telefon +49 (0)371 531 37742 stefan.uhlmann@mb.tu-chemnitz.de. www.leichtbau.tu-chemnitz.de

www.chemiextra.com 34

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Bild: zvg

Bild 1. www.laborglasreinigung.de gibt Hilfestellung und Praxistipps rund um die gründliche und effiziente Reinigung von Labormaterialien.

Glasreinigung im Labor – gebündelte Expertise

Optimale Säuberung von Laborglasgeräten Saubere, rückstandsfreie Geräte sind die Grundvoraussetzung für sicheres Arbeiten im Labor. Da die Einsatzgebiete der Laborgeräte variieren, sind auch die Arten der Rückstände und Verschmutzungen vielfältig. Unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften der verwendeten Stoffe müssen bei der Reinigung berücksichtigt werden. Unter www.laborglasreinigung.de bündeln die Duran Group, einer der führenden Hersteller von Laborgläsern aus Borosilikatglas 3.3, und der traditionsreiche Reinigungs- und Desinfektionsmittelhersteller Dr. Weigert ihr Expertenwissen zur optimalen Säuberung von Laborglas – praxisgerecht aufbereitet.

«Obwohl der Reinigungsprozess ein wichtiger Arbeitsschritt im Labor ist, wird er oft unterschätzt, da er hinter den Kulissen stattfindet», erklärt Stefanie Kahl, Produktmanagerin von Dr. Weigert. «Doch korrekte Ergebnisse und damit einhergehende Erfolge können nur mit rückstandsfreien Geräten erzielt werden.» Tobias A. Thiele, Leiter Marketing und Innovationsmanagement der Duran Group, ergänzt die gemeinsame Intention: «Mit der neuen Webseite wollen wir den optimalen Umgang mit Laborglas allen Interessierten rund um die Uhr zugänglich machen und so unseren Beitrag für grundlegende Qualitätsstandards leisten und das Bewusstsein dafür schärfen.» 36

Basisinformationen zum richtigen Umgang mit Laborglas Nur der richtige Umgang mit Laborglas trägt zu einem optimalen Reinigungsergebnis bei. Deshalb vermittelt die Webseite auch grundlegende Informationen beispielsweise zur richtigen Nutzung und dem Reinheitsgrad von Laborglas und beantwortet Fragen zur Qualitätssicherung, Dokumentation und Validierung eines Reinigungsverfahrens. Auch der Umweltverträglichkeit von Reinigungsmitteln wird nachgegangen. Die ausführlichen Praxistipps beschäftigen sich mit der optimalen Entfernung von organischen und anorganischen Rückständen

wie Pigmentrückständen, Salzen oder Metalloxiden bis hin zu mikrobiologischen Stoffen wie Fetten, Kohlenhydraten oder Zellkulturen. In der grossen «Wussten Sie schon...?»Rubrik geben Experten Antworten auf die unterschiedlichsten Fragestellungen: Wer weiss schliesslich, dass es eine Verordnung über die Entsorgung gebrauchter halogenierter Lösemittel gibt und wo man diese findet? Oder warum Platinelektroden oder Platindrähte auf keinen Fall Königswasser ausgesetzt werden dürfen? Sollte eine Frage dennoch unbeantwortet bleiben, so kann direkt Kontakt mit den Experten aufgenommen werden. 12 / 2011

L A B O R / A N A LY T I K

Die beiden Partner Die Duran Group (www.duran-group.com) gehört zu den weltweit führenden Herstellern von Borosilikatglas, einem 1887 von Otto Schott erfundenen und 1938 unter dem Markennamen Duran angemeldeten Spezialglas. Mit Standorten in Mainz, Wertheim und Pula (Kroatien) und über 600 Mitarbeitern verfügt die Gruppe über die komplette Wertschöpfungskette vom Glas-

schmelzprozess bis hin zu präzisen Formgebungs- und Bearbeitungsverfahren. Von Anfang an hat das mittelständische Hamburger Unternehmen Dr. Weigert GmbH & Co. KG (www.drweigert.de) den Prozess des technischen Fortschritts der maschinellen Reinigungs- und Desinfektionsverfahren begleitet. Dr. Weigert ist seither führend in der Entwicklung professioneller Systemlösungen bei der Reinigung und

Desinfektion in der Labor- und Medizintechnik, auf dem Grossküchensektor sowie in der Pharma-, Kosmetik- und Lebensmittelindustrie. Die innovativen Produkte und Konzepte waren und sind Massstab für erstklassige Ergebnisse. Für die Umsetzung der Hygienekonzepte sorgen qualifizierten Fachberater, die flächendeckend in ganz Deutschland vertreten sind. Quelle: Duran Group

Von der Forschung in die Industrie

Den Nanopartikeln auf der Spur Nano liegt im Trend. Lacke, Medikamente, Trinkwasser – die Liste der mit Nanopartikeln durchsetzten Materialien ist lang. Und wird immer länger. Doch wie viel Nano verträgt der Mensch tatsächlich? Das Start-up Nanotion hilft mit seinem Messgerät, darauf eine Antwort zu finden.

An Innovationen mit Nanopartikel fehlt es derzeit nicht. Mittlerweile gibt es Silberpartikel gegen Schweissbakterien, Titandioxidpartikel gegen zu starke Sonneinstrahlung oder Nanopartikel in Medikamentform gegen Tumore. Die Möglichkeiten der kleinen Teile scheinen unbegrenzt. Dennoch gibt es eine Kehrseite der Medaille: Über die Gefahren ist bislang wenig bekannt. Das kann sich bald ändern, wie die Errungenschaft des Start-ups Nanotion zeigt.

Von der Forschung in die Industrie Nanotion hat ein Messgerät entwickelt, das es erlaubt, mit einem Laser kleinste Teilchen in Flüssigkeiten nachzuweisen und zu quantifizieren. Eine Innovation – denn bislang war dies nur durch grossen Zeitaufwand möglich. Entstanden ist die Idee während eines Forschungsprojekts, das Christopher Latkoczy als ETH-Chemiker für die Anstalt für Wasserversorgung, Abwasserreinigung und Gewässerschutz (Eawag) in Dübendorf durchführte. 12 / 2011

Im Auftrag von Ralf Kägi, Leiter des EawagPartikellabors, baute er ein bereits bestehendes Messgerät für Nanopartikel nach, das nie den Weg in die Industrie gefunden hatte. Dabei entwickelten Latkoczy gemeinsam mit dem ETH- und Eawag-Team das Gerät entscheidend weiter: Anders als beim alten Messverfahren gelang es ihnen mit dem neuen Gerät dank eines physikalischen Effekts die Messung auf ein paar Sekunden zu beschleunigen und die Art der Nanopartikel sicher nachzuweisen. «Da ist die Idee entstanden, das Gerät von der Forschung in die Industrie zu überführen», sagt Latkoczy, der davor am Laboratorium für Anorganische Chemie der ETH angestellt war. Um den Sprung in die Selbstständigkeit zu schaffen, reicht eine gute Geschäftsidee alleine jedoch nicht. Unternehmerisches Know-how ist gefragt. Das fehlte Latkoczy bis anhin. Also schrieb er sich an der ETH für den Businessplan-Kurs «venture challenge» von Venturelab ein. Dort lernte er den ETH-Materialwissenschaftler Bartjan den Hartogh kennen.

Bild: Rebecca Wyss

Rebecca Wyss

Bild 1. Das Nanotion-Team mit Bartjan den Hartogh, Christopher Latkoczy und Tom Forrer (vlnr) analysiert Nanopartikel in Flüssigkeiten.

Zusammen gründeten sie 2010 die Nanotion AG, der als drittes Teammitglied der Softwareentwickler Tom Forrer angehört. Mit Erfolg. Beim Prix du Jeune Entrepreneur erreichten sie das Finale. «Das war wichtig für uns», sagt Latkoczy rückblickend. Damit hätten sie gewusst, dass ihr Produkt eine Chance auf dem Markt haben würde. Zeit 37

A N A LY T I K

zum Verschnaufen blieb jedoch kaum: Noch im Gründungsjahr erhielten sie den De-Vigier-Unternehmerpreis.

Preisgeld bitter nötig «Die 100 000 Franken Preisgeld waren überlebenswichtig für uns», betont Latkoczy. Dies obwohl damit gerade mal die Ausgaben für die Gründungskosten der AG gedeckt werden konnten. Das Leben von Start-up-Gründern ist hart. Die ersten Monate und Jahre bis ein Investor gefunden ist, bezahlen diese alle Kosten oft aus eigener Tasche – vorausgesetzt es wird denn auch tatsächlich ein Investor gefunden. Auch Latkoczy und den Hartogh mussten «unten durch». Beide arbeiten 100 Prozent für Nanotion. Seit diesem Semester hat der Chemiker zusätzlich am Departement Chemie und Angewandte Biowissenschaften der ETH einen Lehrauftrag für Nanopartikelanalyse. Dieses Zusatzeinkommen ist nicht nur ein Zustupf: Während der vergangenen

zwei Jahre lebte Latkoczy von 1500 Franken im Monat. Das mag für einen Lehrling reichen, für einen Familienvater mit dementsprechenden Lebenshaltungskosten ist das wenig. Dennoch sieht er darin keinen Grund zum Jammern: «Wenn man an sein Vorhaben glaubt, nimmt man das in Kauf.» Mittlerweile führt Nanotion mit dem Prototyp verschiedenste Messungen durch. So misst das Start-up im Auftrag von Trinkwasseranlagen die Grösse und Konzentration von Nanopartikeln im Wasser, damit diese die Leistung ihrer Filter beurteilen können. Dabei soll es jedoch nicht bleiben. Ihre Ziele sind klar: Analysen als Dienstleistungen anbieten, um so ein Kundennetzwerk aufbauen und das Messgerät den Bedürfnissen auf dem freiem Markt anpassen. Zudem soll bald ein seriengefertigtes Gerät mit einem Stückpreis von rund 150 000 Franken auf den Markt kommen. Farben, Lacke, Pharmaprodukte oder Krebsforschung – die Einsatzmöglichkeiten wären gewaltig.

«Das braucht Schnauf» In die Hände spielen könnte ihnen eine Kosmetikverordnung des Europäischen Parlaments. Ab 2013 müssen die Hersteller auf allen Cremen und Salben angeben, ob diese Nanopartikel enthalten. Nanotions Chance dabei: Die Pharmaproduzenten müssen nachweisen, dass sie die entsprechenden Messungen vorgenommen haben. Gefragt sind also dereinst schnelle und sichere industrielle Messverfahren. Bis dahin dauert es jedoch noch ein, zwei Jahre. «Das braucht Schnauf, vor allem finanziell», sagt Latkoczy. Schnauf, den ein Start-up kaum hat. Umso wichtiger ist da der jüngste Coup: Nach Monaten der Suche konnten die beiden Investoren für ihr Unternehmen gewinnen. Gute Aussichten für Latkoczy und seinen Co-Gründer: «Die nächsten zwei Jahre sind nun gesichert und wir können endlich wachsen.» Quelle: ETH Life vom 7. November 2011

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A N A LY T I K

Auswertung an Ort und Stelle

Handheld-Device findet Drogen in Fingerabdruck Intelligent Fingerprinting (www.intelligentfingerprinting.com), ein Spin-off der University of East Anglia hat ein handliches Gerät entwickelt, das Drogen in Fingerabdrücken aufspüren und eindeutig einer Person zuweisen kann. Paul Yates, Business Developement Manager der Firma, erklärt im Gespräch mit pressetext, dass der Automat zukünftig auch Schwangerschaften und Krankheiten ermitteln könnte, darunter auch Krebs.

Nachweis anderer Hormone gelingt. Das ermöglicht uns vielleicht, bestimmte Krankheiten, verschiedene Formen von Krebs oder Schwangerschaften über den Fingerabdruck nachzuweisen.»

Bild 1. Dieses Gerät ermittelt Drogen in Fingerabdruck.

Der kürzlich präsentierte Prototyp ist laut Yates ein «signifikanter Meilenstein». Das Potenzial der Fingerabdruckanalyse ist zwar bekannt, noch nie war die Technik jedoch in ein tragbares Gerät verpackt. Die gewonnene Mobilität bringt eine Reihe von Vorteilen und Einsatzmöglichkeiten mit sich. Das bislang noch namenlose Gerät scannt Fingerabdrücke in extrem hoher Auflösung, bis auf Molekülebene, erklärt der Unternehmer gegenüber pressetext. «Die Limitierungen des Geräts liegen in der Anzahl an Molekülen, die es im Schweiss findet. Aktuell kann es alles zwischen 100 und 600 Masseeinheiten erkennen. Das ermöglicht den Nachweis eines breiten Spektrums von Abbauprodukten und Hormonen.»

Verwechslung ausgeschlossen Die extrem detailierte Abtastung bringt noch einen weiteren Vorteil mit sich. Auf dem Bild des Fingerabdrucks sind einzelne Schweissporen erkennbar, die ein je nach 12 / 2011

Person individuelles Muster ergeben und auch unterscheidbar machen, welche Spuren von ihr stammen und welche etwa durch einen Händedruck aufgenommen wurden. Dies, in Verbindung mit dem Fingerabdruck an sich und der Auswertung an Ort und Stelle, ermöglicht einen wasserdichten Nachweis, beispielsweise für Gerichtsverfahren – eine Sicherheit, die bei Proben aus Blut, Speichel oder Urin nicht gewährleistet werden kann. Diese müssen von einem Arzt entnommen und einen Umweg über ein Labor nehmen, weswegen Verunreinigungen oder gar Verwechslungen eine akute Kompromittierungsgefahr darstellen, so Yates. Doch nicht nur Kriminalforensiker dürften sich für die Entwicklung von Intelligent Fingerprinting interessieren. «Unser Gerät könnte eine sehr breite Einsatzpalette im medizinischen Bereich abdecken», schildert der Business Developement Manager. «Wir können das Cortisol-Level messen und gehen daher davon aus, dass uns auch der

Aktuell benötigt das Analysegerät zehn Minuten, um einen Scan auszuwerten. Das Unternehmen sucht derzeit nach finanzieller Unterstützung, um eine marktreife Version entwickeln und die Forschung vorantreiben zu können. Geht alles nach Plan, so startet die Serienproduktion im kommenden Jahr. Wie hoch sich die Kosten für einen Analyseapparat belaufen werden, lässt sich derzeit noch nicht sagen. Quelle: pressetext.redaktion

DISCOVER NEW SOLUTIONS FOR LIQUID CHROMATOGRAPHY

Bild: Int. Fingerprinting

Produktion soll 2012 starten

Geissbrunnenweg 14 · CH-4452 Itingen BL Tel. 061 971 83 44 · Fax 061 971 83 45 E-Mail: info@sebio.ch · www.sebio.ch

PHARMA

HIV-Therapie wirkt gegen alle Virentypen Praktisch alle Medikamente gegen den Aids-Erreger HIV wurden in Europa und Nordamerika entwickelt. Sie halten auch andere Virentypen aus Afrika und Asien in Schach, wie in einer vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF) unterstützten Studie nachgewiesen wurde. Der Aids-Erreger HIV ist äusserst wandlungsfähig. Es existieren diverse Typen dieses Virus, die je nach Weltregion unterschiedlich häufig sind. In der westlichen Welt, wo die meisten Medikamente entwickelt und getestet werden, dominiert der sogenannte Subtyp B. Doch weltweit gesehen sind 90 Prozent der Personen mit anderen Virentypen infiziert, die in Asien und Afrika vorherrschen. Einige Experten befürchteten, dass HIVTherapien weniger gut gegen andere Virentypen wirken. Diese Bedenken sind

unbegründet, wie Forschende der Schweizerischen HIV-Kohortenstudie in einer eben publizierten Studie zeigen. «Bisherige Untersuchungen krankten meist daran, dass Patienten mit unterschiedlichem genetischem Hintergrund verglichen wurden, die mit verschiedenen HIV-Subtypen infiziert waren», erklärt Studienleiter Huldrych Günthard vom Universitätsspital Zürich. «Dadurch war nicht klar, ob ein unterschiedlicher Therapieerfolg auf den Subtyp oder auf die Ethnie des Trägers zurückzuführen ist. Die Grösse unserer Kohorte erlaubte uns, diese Frage erstmals innerhalb einer Ethnie – nur mit weissen Patienten – zu untersuchen». Therapie versagt bei anderen Virentypen sogar noch seltener 5268 Patienten wurden in die Studie eingeschlossen, 4729 mit Subtyp B, 539 mit einem anderen Subtyp. Wie erwartet wirk-

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te die HIV-Therapie gut gegen den Subtyp B: Pro 100 Behandlungsjahre (die sich ergeben, wenn man beispielsweise 100 Patienten ein Jahr lang oder 50 Patienten zwei Jahre lang behandelt) traten etwa vier sogenannte Therapieversagen auf, bei denen die Virenlast im Blut entweder nie genügend abnahm oder zu einem späteren Behandlungszeitpunkt plötzlich wieder anstieg. Bei Patienten mit Nicht-B-Subtypen versagte die Therapie sogar noch seltener, nur etwa zwei Mal in 100 Behandlungsjahren. Das Resultat bedeute jedoch nicht, dass HIV-Therapien in Afrika oder Asien erfolgreicher sein müssten als in Europa, sagt Günthard. Denn für den Erfolg spielten auch andere Umstände eine Rolle, etwa genetische Faktoren, aber auch wie gut Patienten die Empfehlungen der Ärzte befolgten. Nun könne man aber zumindest ausschliessen, dass die existierenden Therapien Virentypen, die in Afrika und Asien dominierten, weniger gut in Schach halten könnten. Auch für die Schweiz seien die Resultate wichtig: Wie in ganz Europa und Nordamerika werden hier nämlich Nicht-B-Subtypen des HIVirus immer häufiger. Quelle: Schweizerischer Nationalfonds

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Originalpublikation Alexandra U. Scherrer et al., «Improved Virological Outcome in White Patients Infected With HIV-1 Non-B Subtypes Compared to Subtype B», Clin Infect Dis. 53 [11], 1143–1152 (2011). (Beim SNF als PDF-Datei erhältlich: com@snf.ch).

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Kontakt Prof. Dr. med. Huldrych Günthard Universitätsspital Zürich Klinik für Infektionskrankheiten und Spitalhygiene Rämistrasse 100 CH-8091 Zürich Telefon +41 (0)44 255 34 50 huldrych.guenthard@usz.ch 12 / 2011

PHARMA

Neuartige Therapie der Sichelzellenanämie

Pfizer erwirbt Lizenzrechte an Basler Wirkstoff Der US-Pharmakonzern Pfizer hat die Lizenzrechte an einem Wirkstoff erworben, an dessen Entwicklung das Institut für Molekulare Pharmazie der Universität beteiligt war. Der Wirkstoff GMI-1070 soll eine neuartige Therapie zur Behandlung von Sichelzellenanämie und bestimmter Formen von Leukämie ermöglichen. Die erste von drei Phasen der klinischen Prüfung hat er bereits erfolgreich bestanden. Zurzeit wird GMI-1070 an Patienten mit Sichelzellenanämie getestet.

Die Arbeitsgruppe um Beat Ernst am Departement für Pharmazeutische Wissenschaften der Universität Basel hat in den vergangenen neun Jahren in Zusammenarbeit mit der US-Pharmafirma GlycoMimetics Inc. eine neuartige Therapie zur Behandlung der Sichelzellenanämie entwickelt. Seit Sommer 2010 läuft die klinische Phase II mit dem neuartigen Wirkstoff GMI-1070, einem sogenannten Pan-Selectin-Antagonisten. Pfizer, das grösste Pharmaunternehmen der Welt, hat nun mit GlycoMimetics eine Lizenzvereinbarung getroffen, welche die weitere Entwicklung des Wirkstoffs regelt. Die Vereinbarung räumt Pfizer eine weltweit exklusive Lizenz für die Verwendung des Wirkstoffs zur Behandlung der Sichelzellanämie und anderer Krankheiten ein, bei denen Selectin-vermittelte Adhesionsphänomene eine Schlüsselrolle spielen. GlycoMimetics bleibt für den Abschluss der laufenden Phase-II-Studie zuständig, danach geht die Verantwortung für die weitere Entwicklung und Vermarktung auf Pfizer über. Der potenzielle Wert des Abkommens mit Pfizer wird von GlycoMimetics auf rund 340 Millionen US-Dollar geschätzt. Die Arbeitsgruppe von Ernst untersucht die molekularen Grundlagen von Kohlenhydrat-

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Protein-Wechselwirkungen. Der Erfolg der Zusammenarbeit mit GlycoMimetics Inc. verdeutlicht das therapeutische Potenzial dieser Forschungsrichtung, für deren Bearbeitung das Departement für Pharmazeutische Wissenschaften ein optimales Umfeld bietet.

Die Multizentren-Studie wird an US- und kanadischen Kliniken durchgeführt. GMI1070 hat in vorklinischen Studien ein hohes Potenzial für die Behandlung der Sichelzellenanämie und bestimmter Formen von Leukämie bewiesen. Quelle: Universität Basel

Verbreitete Erbkrankheit Sichelzellenanämie ist eine verbreitete Erbkrankheit mit erheblicher Mortalität. Ihre Ursache ist eine Mutation der Beta-Untereinheit des Hämoglobins. Die betroffenen roten Blutkörperchen verformen sich insbesondere bei Sauerstoffarmut sichelförmig und verstopfen die Kapillargefässe. Das führt zu wiederkehrenden Durchblutungsstörungen, die mit starken Schmerzen und mehrfachen Organschäden (Milzschwellung, Lungenentzündung, Herz- und Nierenversagen) verbunden sind. Die Phase-I-Studie mit gesunden Probanden konnte im September 2009 erfolgreich abgeschlossen werden. In der Phase II werden nun in einer randomisierten Doppelblindstudie Wirkung, Sicherheit und alle Prozesse, denen ein Arzneistoff im Körper unterliegt, von GMI-1070 an hospitalisierten Sichelzellenanämiepatienten untersucht.

Kontakt Prof. Dr. Beat Ernst Universität Basel Institut für Molekulare Pharmazie Klingelbergstrasse 50 CH-4056 Basel Telefon +41 (0)61 267 15 51 Beat.Ernst@unibas.ch www.unibas.ch

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Bild: Daderot (Wikipedia)

Bild 1. Obst sollte ein wichtiger Bestandteil des Speisezettels von Vegetariern und Fleischessern sein.

Gesunde Ernährung

Was Vegetarier beachten sollten Für alle, die beabsichtigen, weniger oder überhaupt keine tierischen Lebensmittel mehr zu essen, bedarf es einer überlegten Speisenplanung, um den gesamten Nährstoffbedarf zu decken. Die kritischsten Nährstoffe sind die Vitamine B12 und D, Calcium, Eisen, Zink sowie die Omega-3-Fettsäuren EPA und DHA. Falls gut durchdacht, können vegetarische Kostformen eine langfristige Alternative sein; ein höherer Verzehr an Obst und vor allem Gemüse bleibt jedoch ein wichtiges Ziel für Vegetarier wie Fleischesser.

«Vegetarismus» umfasst eine Reihe von Ernährungsmustern; echte Vegetarier jedoch streichen jegliche tierische Produkte aus ihrem Speiseplan. Lacto-Ovo-Vegetarier essen Milchprodukte und Eier, Pesco-Vegetarier (oder Pescetarier) essen zusätzlich Fisch und Meeresfrüchte, jedoch kein Fleisch, und Veganer essen kein Lebensmittel tierischen Ursprungs (einschliesslich Honig). Je eingeschränkter die Ernährung, desto mehr Sorge muss für die Aufnahme benötigter Nährstoffe getragen werden. Mehrere Schlüsselnährstoffe können in pflanzli42

cher Nahrung fehlen, unzureichend vorhanden oder schlecht vom Körper verwertbar sein. Dies betrifft hochwertiges Eiweiss, die langkettigen Omega-3-Fettsäuren Eicosapentaensäure (EPA) und Docosahexaensäure (DHA) sowie Eisen, Zink, Calcium und die Vitamine D und B12 (Tabelle 1). Die Aufnahme an diesen Nährstoffen ist üblicherweise ausreichend in pescetarischen und lacto-ovo-vegetarischen Speiseplänen. Allerdings sind die Eisenspeicher bei Vegetariern tendenziell niedriger, da die am besten verwertbare Form, das Hämeisen, nur in Fleisch, Geflügel und Fisch vorkommt [1].

Blutarmut aufgrund andauernder ausgeprägter Eisenunterversorgung tritt bei Vegetariern nicht häufiger auf als bei Nichtvegetariern; das grösste Risiko besteht generell für Kinder und prämenopausale Frauen [1, 2]. Veganer können eine niedrige Calciumzufuhr haben, was, falls gepaart mit geringer Protein- und Vitamin D-Aufnahme, die Knochengesundheit beeinträchtigen kann [2]. Ein weiterer Nährstoff, auf den vor allem Veganer achten sollten, ist Vitamin B12, da es nur in tierischen Lebensmitteln vorkommt. Ein Mangel an Vitamin B12 in der Schwangerschaft kann irreversible neurologische Schäden beim Fötus bewirken 12 / 2011

[3, 4]. Des weiteren ist er mit hohen Blutspiegeln an Homocystein verbunden, einem bekannten Risikofaktor für Herz-Kreislauf-Erkrankungen [5]. Die Omega-3-Fettsäuren EPA und DHA, natürlicherweise in fettem Fisch wie Lachs, Hering und Makrele vorkommend, sind wichtig für die Gehirnentwicklung, das Sehen, die Herzgesundheit und bestimmte andere Körperfunktionen. EPA kann ebenso in ausreichenden Mengen vom Körper aus der Vorstufe α-Linolensäure (ALA) gebildet werden, sofern diese über die Nahrung bereitgestellt wird. Gute vegetarische ALA-Quellen sind Pflanzen- und Samenöle, besonders Walnuss- und Rapsöl. Die Bildung von DHA aus ALA ist jedoch weit weniger effizient, weshalb Supplementierung zur ausreichenden Versorgung notwendig sein kann [6].

Unterstützende Ernährung Eine breite Palette an Produkten ist derzeit verfügbar, um Vegetarier und speziell Veganer in ihrer Nahrungsauswahl zu unterstützen und ihnen gleiche Sicherheit und Komfort wie Nichtvegetariern zu bieten. Einige Beispiele sind pflanzliche Milchalternativen, angereicherte Lebensmittel wie Frühstückszerealien, Säfte und Aufstriche, sowie Supplemente. Fleischlose Alternativen, einschliesslich «Fleischanaloga», die Fleisch in der Textur ähneln, können in Rezepten als Fleischersatz dienen. Vegetarische Fertiggerichte sind weithin verfügbar, und viele Hersteller kennzeichnen ihre Produkte freiwillig als für VegetaNährstoff

Calcium

Empfohlene Tageszufuhr 800 mg

Eisen

14 mg

Zink

10 mg

Vitamin D

5 µg

Vitamin B12

2,5 µg

EPA/DHA

250 mg

Tabelle 1. Kritische Nährstoffe in der vegetarischen/veganen Ernährung und empfohlene Zufuhrmengen [7]. (EPA = Eicosapentaensäure, DHA = Docosahexaensäure)

12 / 2011

rier oder Veganer geeignet. Andernfalls gibt ein Blick auf die in Europa auf Getränkeund Lebensmittelpackungen rechtlich vorgeschriebene Zutatenliste Aufschluss darüber, ob ein bestimmtes Produkt im Rahmen einer vegetarischen oder veganen Ernährung geeignet ist. Soja in all seinen Formen (Bohnen, Tofu, etc.) leistet einen wertvollen Beitrag zur vegetarischen/veganen Ernährung. Es deckt den Proteinbedarf so effektiv wie tierisches Protein, und manche Zubereitungen können als nennenswerte Quelle für die Omega-3-Fettsäure ALA (jedoch nicht EPA und DHA) angesehen werden [8]. Soja ist zudem reich an Eisen in einer proteingebundenen Form, die offenbar leicht vom Körper aufgenommen wird. Gewisse sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe in Soja – als Phytochemikalien bezeichnet – werden als schützend vor Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Osteoporose und einigen Krebsarten angesehen [2, 8]. Allerdings sind auch andere Hülsenfrüchte gute Protein- und Mineralstoffquellen. Vegetarische Quellen an Vitamin B12 beinhalten Milch und Milchprodukte sowie Eier – alle liefern zugleich auch hochwertige Proteine. Diese Liste zeigt, dass Vitamin B12 einer der kritischsten Nährstoffe für Veganer ist, die zur Bedarfsdeckung gegebenenfalls auf Aufstriche aus Hefe oder Supplemente zurückgreifen müssen.

Mögliche Gesundheitsvorteile Bei sorgfältiger Planung zeichnen sich vegetarische Speisepläne durch einen vergleichsweise höheren Anteil an Obst und Gemüse, Hülsenfrüchten und Nüssen aus. Gegenüber der fleischhaltigen Ernährung sind sie ärmer an gesättigtem Fett und Cholesterin sowie reicher an Ballaststoffen, den Vitaminen C und E, Magnesium, Kalium und Phytochemikalien wie Flavonoiden und Carotinoiden. Von einer derartigen Kost nimmt man an, dass sie gegen eine Reihe chronischer Erkrankungen schützt und für den bei Vegetariern und vor allem Veganern durchschnittlich niedrigeren Body Mass Index (BMI) mitverantwortlich ist. Allerdings sollten geringes Körpergewicht oder BMI allein nicht pauschal als Zeichen guter Gesundheit gesehen werden. Angesichts der etwas eingeschränkten Lebensmittelwahl besonders

Bild: Kurt Hermann

ERNÄHRUNG

Bild 2. Docosahexaensäure (oben) und Eicosapentaensäure sind Schlüsselnährstoffe.

in der veganen Ernährung, kann sich ein niedrigeres Körpergewicht allein durch verringerte oder einseitige Nahrungszufuhr erklären. Die Vorteile eines niedrigen Fleischverzehrs für Herz und Kreislauf könnten zum Teil durch verbesserte Blutfettwerte und geringeren Blutdruck vermittelt werden, wie sie üblicherweise bei Vegetariern zu beobachten sind; ausserdem wären da noch die günstigen Effekte der Phytochemikalien auf die Herz-Kreislauf-Funktion. Vegetarier haben gegenüber Fleischessern ein niedrigeres Risiko, Typ 2 Diabetes zu entwickeln. Dies ist zum Teil auf den niedrigeren BMI von Vegetariern zurückzuführen, jedoch besteht ein an den Fleischverzehr gekoppeltes zusätzliches Risiko, vor allem in Bezug auf verarbeitete Ware wie Wurst, Schinken und Speck. Vollkornreiche Kost, einschliesslich Nüssen und Hülsenfrüchten, kann dieses Krankheitsrisiko entscheidend verringern und bei bereits Betroffenen die Blutzuckerkontrolle verbessern. Zudem hat kürzlich eine Studie den Nutzen einer vegetarischen Kost beim Metabolischen Syndrom gezeigt [12]. Bei alledem sollte beachtet werden, dass das Risiko für ernährungsbedingte Erkrankungen bei ausgewogener Nahrungsaufnahme grundsätzlich gering ist, unabhängig davon, ob Fleisch oder tierische Produkte Teil des Speiseplans sind. Entsprechend sind Berichte über ein erhöhtes Risiko für bestimmte Krankheiten aufgrund des Verzehrs spezifischer tierischer Lebensmittel kritisch zu betrachten. Oftmals werden die Ergebnisse in Form des «relativen Risikos» angegeben, zum Beispiel dass Personen, die täglich 100 Gramm rotes Fleisch (wie Rind, Lamm, und Schwein) oder 50 Gramm verarbeitete Fleischwaren essen, ein etwa 43

ERNÄHRUNG

[7]

Bild: Berlin-pics

[8]

[9] Bild 3. Auf Gemüse kann nicht verzichtet werden – sowohl von Vegetariern als auch von Fleischessern.

20 Prozent erhöhtes Risiko für Darmkrebs gegenüber jenen haben, die auf solche Produkte komplett verzichten [10]. Angenommen eine Person, die auf rotes oder verarbeitetes Fleisch verzichtet, hat über die gesamte Lebenszeit ein fünfprozentiges absolutes Risiko für Darmkrebs. Dieses Risiko würde auf 6 Prozent ansteigen, falls besagte Person anfinge, täglich 100 Gramm rotes Fleisch bzw. 50 Gramm verarbeitete Fleischwaren zu essen. Aus diesem Grund lässt das relative Risiko gegenüber dem absoluten Risiko den Einfluss grösser erscheinen als er tatsächlich ist [14]. Während eine absolut fleischfreie Ernährung nicht für jedermann geeignet oder erstrebenswert ist, lässt sich der Konsum – falls gewünscht – einfach dadurch reduzieren, dass man einen oder mehrere fleischfreie Tage in der Woche einlegt. Der World Cancer Research Fund empfiehlt, maximal 500 Gramm rotes Fleisch pro Woche zu essen [9]. Der Verzehr von Fisch anstelle von Fleisch kann, vor allem im Kontext einer Ernährung mit viel Gemüse, Obst und Vollkornprodukten, eine weitere Alternative mit günstigen Gesundheitswirkungen sein [15] Derartige Ernährungsmuster werden zum Beispiel in der traditionellen mediterranen und nordischen Küche beobachtet. Quelle: Eufic 44

Originalpublikationen [1] Hercberg S., Preziosi P., Galan P., «Iron deficiency in Europe», Public Health Nutr. 4 [2B], 537–545 (2001). [2] «American Dietetic Association Position of the American Dietetic Association: Vegetarian Diets», J. Am. Diet. Assoc. 109, 1266–1282 (2009). [3] Koebnick C. et al., «Long-term ovolacto vegetarian diet impairs Vitamin B-12 status in pregnant women», J. Nutr. 134 [12], 3319–3326 (2004). [4] Weiss R., Fogelman Y., Bennett M., «Severe vitamin B12 deficiency in an infant associated with a maternal deficiency and a strict vegetarian diet», J. Pediatr. Hematol. Oncol. 26 [4], 270–271 (2004). [5] Craig W. J., «Health effects of vegan diets», Am. J. Clin. Nutr. 89, 1627S–1633S (2009). [6] Brenna J. T., Salem N. Jr., Sinclair A. J., Cunnane S.C., International Society for the Study of Fatty Acids and Lipids, ISSFAL, «alpha-Linolenic Acid supplementation and conversion to n-3 long-chain polyunsaturated fatty acids in humans», Prostaglan-

[10]

[11]

[12]

[14]

[15]

dins Leukot. Essent. Fatty Acids 80 [2–3], 85–91 (2009). Richtlinie 2008/100/EG der Kommission vom 28. Oktober 2008 zur Änderung der Richtlinie 90/496/EWG des Rates über die Nährwertkennzeichnung von Lebensmitteln hinsichtlich der empfohlenen Tagesdosen, der Umrechungsfaktoren für den Energiewert und der Definitionen (Text von Bedeutung für den EWR). Amtsblatt Nr. L 285 vom 29/10/2008, Seiten 9–12. Verfügbar unter: http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri= CELEX:32008L0100:DE:HTML Messina M., Messina V., «The role of soy in vegetarian diets», Nutrients 2, 855–888 (2010). World Cancer Research Fund/ American Institute for Cancer Research, «Food, Nutrition, Physical Activity, and the Prevention of Cancer: a Global Perspective», Washington, DC, AICR. Norat T. et al., «WCRF/AICR Systematic Literature Review Continuous Update Project Report», The Associations between Food, Nutrition and Physical Activity and the Risk of Colorectal Cancer. Sinha R. et al., «Meat intake and mortality». Arch. Int. Med. 169, 562–571 (2009). Rizzo N. S. et al., «Vegetarian Dietary Patterns Are Associated With a Lower Risk of Metabolic Syndrome: The Adventist Health Study 2», Diabetes Care, Published online before print March 16, 2011, doi: 10.2337/dc10-1221 [13] Sabate J., «The contribution of vegetarian diets to human health», Forum Nutr. 56, 218–220 (2003). Eufic Review, «Understanding Scientific Studies». Verfügbar unter www.eufic.org/ article/de/page/RARCHIVE/expid/ Understanding-scientific-studies/ Bhupathiraju S. N., Tucker K. L., «Coronary heart disease prevention: nutrients, foods, and dietary Patterns», Clin. Chim. Acta 412 [17–18], 1493-1514 (2011). 12 / 2011

ERNÄHRUNG

Nachweis von Pflanzenschutzmitteln

Sicherere Lebensmittel durch Fischtests Jeder zweite Speisefisch, der auf unserem Teller landet, kommt mittlerweile aus einem Zuchtbetrieb. Das Problem: An die Tiere werden immer häufiger pflanzliche Rohstoffe verfüttert, wodurch sich Rückstände von Pflanzenschutzmitteln im Fisch ablagern können. Ein neuer Test ermittelt, wie hoch das Risiko einer Kontamination ist.

Tests fehlen Doch ein Verfahren für entsprechende Tests fehlt bislang. Für Wiederkäuer, Geflügel und Schweine gibt es bereits Methoden, das Anreicherungs- und Abbauverhalten von Pflanzenschutzmittelwirkstoffen zu bestimmen. Diese Metabolismusstudien sind jedoch bisher nicht auf Fische anwendbar. Das (deutsche) Bundesamt für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit (BVL) sieht hier dringenden Handlungsbedarf. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME in Schmallenberg haben ein Testsystem entwickelt, mit dem sich feststellen lässt, ob sich bei der Aufnahme von belastetem Futter chemische Substanzen im Fisch anreichern. «Wir prüfen in einem ersten Schritt, ob sich durch die Nahrungsaufnahme Rückstände 12 / 2011

von PSM im Fischfilet bilden und welche Abbauprodukte beziehungsweise Metabolite durch den Stoffwechselprozess entstehen. Prinzipiell gilt: Je fettlöslicher eine Substanz ist, desto eher reichert sie sich im Fisch an», erläutert Christian Schlechtriem, Wissenschaftler am IME. «Unsere Tests sind die Basis für spätere Fütterungsstudien. Die Ergebnisse entscheiden über die Notwendigkeit solcher Studien, die dann die Rückstandshöchstgehalte von PSM bestimmen.» Für ihre Metabolismusstudien nutzen die Experten zwei Kubikmeter grosse Wassertanks, in die sie 300 bis 500 Gramm schwere Karpfen und Regenbogenforellen setzen – Süsswasserfische, die häufig in Aquakultur gezüchtet werden.

Bild: Fraunhofer IME

Menschen essen immer mehr Fisch. Um die steigende Nachfrage zu befriedigen, werden die Tiere daher zunehmend in Fischfarmen gezüchtet. Die Aquakultur stellt weltweit den am stärksten wachsenden Zweig der Ernährungswirtschaft dar; die jährlichen Steigerungsraten liegen bei neun Prozent. Ein rasanter Anstieg, der auch den Bedarf an Fischfutter in die Höhe treibt. Dies stellt die Futtermittelhersteller vor eine grosse Herausforderung. Denn Fischmehl und Fischöl – wichtige Bestandteile des Futters – werden immer knapper. Pflanzliche Rohstoffe wie Soja, Mais und Raps sollen künftig Fischmehl und Fischöl ersetzen. Das Problem: Mit den pflanzlichen Rohstoffen könnten auch Pflanzenschutzmittel (PSM) in die Futterpellets gelangen. Um eine Gefahr für den Verbraucher auszuschliessen, müssen in Zukunft mögliche Rückstandsgehalte von PSM in Fisch aus Aquakultur bestimmt werden.

Radioaktive Testsubstanzen Um Rückstände von Pflanzenschutzmitteln und deren Abbauprodukte identifizieren zu können, versehen Schlechtriem und sein Team die Futterpellets mit einer radioaktiven Testsubstanz. Eine Herausforderung für die Forscher, da radioaktiv markiertes Material im Wasser schwierig anzuwenden ist. Ein starkes Filtersystem verhindert, dass sich gelöste Testsubstanz im Wasser anreichert. Filets der gefütterten Fische können anschliessend auf PSM-Rückstände untersucht werden. Dafür nutzen die Forscher eine hoch empfindliche Analytik, die es erlaubt, auch kleinste Substanzmengen sicher zu identifizieren. Dieter Hennecke, Abteilungsleiter Ökologische Chemie am IME, betont: «Mit unserem neuen Testsystem decken wir von der Aufzucht der Tiere bis zur Gewebeanalyse im Labor alle erforderlichen Schritte ab, die für das Erfassen von PSM oder deren Abbauprodukte in Fischen erforderlich sind.» Die Europäische Kommission veröffentlicht im Herbst 2011 für die Pflanzenschutzmit-

Bild 1. Forscher überprüfen die zwei Kubikmeter grossen, mit einem starken Filtersystem ausgestatteten Wassertanks.

telzulassung eine neue Datenanforderung für Fische: Jeder Hersteller und Importeur, der ein neues Pflanzenschutzmittel in Europa in Verkehr bringen will, muss dieses nicht nur registrieren lassen, sondern dabei zugleich beweisen, dass keine Gefahr der Anreicherung im Fischfilet besteht. Der im IME entwickelte Fischtest wird die dafür benötigten Informationen liefern. Quelle: Fraunhofer-Gesellschaft Kontakt Dr. Christian Schlechtriem Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME Auf dem Aberg 1 D-57392 Schmallenberg Telefon +49 (0)2972 302 186 www.ime.fraunhofer.de 45

WERKSTOFFE

Ein Material mit Graphen-ähnlichen Eigenschaften Frederik Wolff-Fabris vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hat gemeinsam mit Kollegen aus Korea ein Material entwickelt und untersucht, das ähnliche physikalische Eigenschaften aufweist wie Graphen.

werden, ermöglichte die exakten Ergebnisse und somit eine Veröffentlichung im Fachmagazin «Physical Review Letters». Noch in diesem Jahr wird Jun Sung Kim nach Dresden zurückkehren, um gemeinsam mit Wolff-Fabris weitere Untersuchungen an SrMnBi2 durchzuführen.

Sara Schmiedl

Aufgrund seiner Zusammensetzung und der Position seiner Elemente im Periodensystem der Elemente ermöglicht SrMnBi2 eine einfache und unkomplizierte Dotierung mit Fremdatomen. Das Einbringen von Fremdatomen geringer Menge verändert die physikalischen Eigenschaften eines Materials. Möglicherweise lässt sich so ein neuer Magnet oder Supraleiter herstellen.

Bild: Marc Uhlarz/HZDR

Jun Sung Kim aus Südkorea kam Anfang dieses Jahres als Nutzer an das HochfeldMagnetlabor Dresden im HZDR, um einige Materialproben in hohen Magnetfeldern zu untersuchen. Erstmalig beschäftigten sich er und sein Kollege aus Dresden, Frederik Wolff-Fabris, mit dem Metall SrMnBi2 und stellten Erstaunliches fest: Das aus den drei Elementen Strontium, Mangan und Wismut bestehende Material verhält sich physikalisch ähnlich wie das «Wundermaterial» Graphen.

Quelle: Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

Originalpublikation Joonbum Park et al., «Anisotropic Dirac Fermions in a Bi Square Net of SrMnBi2», Phys. Rev. Lett. 107, 126 402 (2011) [5 Seiten].

Bild 1. Die Kristallstruktur von SrMnBi 2 ist ähnlich aufgebaut wie die einiger Eisenpniktide (grün: Wismut; blau: Strontium; rot: Mangan).

SrMnBi2 steht derzeit auch im Fokus anderer Forschergruppen, doch nur der Einsatz von sehr hohen Magnetfeldern, wie sie im Hochfeld-Magnetlabor Dresden erzeugt

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Bild: PV-LAB, EPFL/SNF

Bild 1. Zinkoxidschichten unter dem Elektronenmikroskop. Links: natürliche Pyramidenstruktur, rechts: formveränderte Struktur (Höhe der Bildausschnitte: rund. 3,75 Mikrometer)

Erneuerbare Energien

Tarte Tatin wirft neues Licht auf die Fotovoltaik Aus weniger mehr machen. So lautet die Herausforderung, der sich Forschende der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL) mit Unterstützung des Schweizerischen Nationalfonds und des Bundesamts für Energie stellen. Ihre Spezialität: die Herstellung von Solarzellen, die tausendmal dünner sind als ihre herkömmlichen Pendants. Zur Steigerung ihres Wirkungsgrads haben die Wissenschaftler ein neuartiges Nanostrukturierungsverfahren entwickelt. Obwohl Silicium eines der häufigsten Elemente auf unserer Erde ist, benötigt man zur Gewinnung von Silicium aus Sand viel Energie. Aus diesem Grund, aber auch, um die Produktionskosten zu senken, erforschen Christophe Ballif und sein Team vom Labor für Photovoltaik und Dünnschichtelektronik an der EPFL bereits seit mehreren Jahren Dünnschichtsolarzellen auf Siliciumbasis, die tausendmal dünner sind als herkömmliche Solarzellen.

Lichtabsorption steigern Die Sache hat jedoch einen kleinen Haken: Je dünner die Zellen sind, desto weniger Sonnenstrahlen absorbieren sie. Dünnschichtzellen erzeugen auch entsprechend weniger Strom. Um das Licht besser einzufangen und im Silicium stärker zu absorbieren werden Schichten aus Zinkoxid genutzt, einem häufig vorkommenden und völlig ungiftigen Material, das in Form von kleinen Kristallpyramiden wächst. Diese ermöglichen eine effiziente Streuung des Lichts in 12 / 2011

die Siliciumschicht. Solche Zinkoxidschichten haben sogar einen neuen Welt Rekord für diese Solarzellen ermöglicht.

Kosten senken Die Forscher versuchen nun, diesen Rekord zu schlagen. «Da es schwierig ist, die Pyramidenform, die diese kleinen Kristalle natürlicherweise annehmen, zu verändern, kam uns die Idee, sie in eine neue Form zu zwängen, indem wir sie auf einer Negativform der gewünschten Struktur wachsen lassen, die das Licht noch besser streut», sagt der Forscher Corsin Battaglia. Diese Idee ist ebenso einfach wie genial. Ist die nanometrische Zinkoxidschicht erst einmal auf der Form abgeschieden, muss diese nur noch – wie eine Tarte Tatin – «abgezogen» werden, um eine Schicht mit der gewünschten Oberflächenstruktur zu erhalten. Dieser Prozess ermöglicht nicht nur ein besseres Einfangen der Sonnenstrahlen und somit eine Steigerung des Wirkungsgrads, sondern auch potenziell eine Sen-

kung der Kosten der Solarzellen, da er sich für die industrielle Massenproduktion eignet. In Zeiten, in denen die Fotovoltaik anstrebt, Strom schon bald günstiger als zu den aktuellen Netzpreisen anzubieten, ist dies von besonderem Interesse. Quelle: Schweizerischer Nationalfonds Originalpublikation Corsin Battaglia et al. «Nanomoulding of transparent zinc oxide electrodes for efficient light trapping in solar cells», Nature photonics 5 [9], 535–538 (2011). Kontakt Dr. Corsin Battaglia EPFL Labor für Photovoltaik und Dünnschichtelektronik Institut für Mikrotechnik Rue A.-L. Breguet 2 CH-2000 Neuchâtel Telefon +41 (0)32 718 33 34 corsin.battaglia@epfl.ch 47

U M W E LT

Wirkung von Nanomaterialien auf Organismen

Nanoröhrchen «stehlen» Grünalgen Platz und Licht Nanopartikel wie Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT), die in immer mehr Produkten enthalten sind, gelangen auch vermehrt in die Umwelt. Ob und wie sie aquatische Ökosysteme beeinträchtigen, ist weitgehend noch unklar. Eine Empa-Studie zeigt, dass CNT auf Grünalgen nicht toxisch wirken, deren Wachstum aber hemmen, indem sie ihnen Licht und Platz nehmen.

Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT von engl. carbon nanotubes) sind bis zu 100 000-mal dünner als ein menschliches Haar und so leicht wie Plastik. Dennoch können sie zugfester sein als Stahl, härter als Diamant und leitfähiger als Kupfer. Diese Eigenschaften machen sie zu einem Werkstoff mit Zukunft. Ihr Einsatz wird daher vielfältig erforscht, etwa für Solarzellen, Kunststoffe, Batterien, in der Medizin sowie zur Reinigung von Trinkwasser. Mit zunehmender industrieller Produktion in der Grössenordnung von Hunderten von Tonnen jährlich steigt auch die Menge an solchen Teilchen, die in die Umwelt gelangen kann. Einige Studien legen den Verdacht nahe, dass bestimmte CNT in der Lunge ähnliche Schäden wie Asbestfasern auslösen können. Wie sich CNT verhalten, wenn sie in Gewässer gelangen, hat ein interdisziplinäres Team der Forschungsinstitute Empa und Agroscope ART nun in einer vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF) finanzierten Studie an Grünalgen untersucht.

Algen bleiben munter – aber mit langsamerem Wachstum Dabei entwickelten die Forscher ein Standardverfahren für Chemikalien weiter, um Wachstum und Fotosynthese-Aktivität der Algen unter CNT-Belastung zu messen. Es zeigte sich, dass die Algen selbst bei hohen CNT-Konzentrationen ihre normale Fotosynthese-Aktivität beibehielten; jedoch verlangsamte sich ihr Wachstum. Auffällig war auch, dass sich die Algensuspension durch Zugabe der CNT verdunkelte und dass die Algen mit den Nanoröhrchen verklumpten – obwohl nichts darauf hinwies, dass die Nanoröhrchen von den Algen aufgenommen werden. 48

Bild 1. Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind für Grünalgen nicht giftig, verlangsamen jedoch bei hohen Konzentrationen das Wachstum, da die Algen durch die Nanoteilchen verklumpen und weniger Licht erhalten. Links intakte Algen (grün) in einem Klumpen aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen (schwarz); rechts «normale» Fotosynthese-Aktivität der Algen (rot), mit Fluoreszenz sichtbar gemacht.

Die Forsche vermuteten deshalb, dass die Algen langsamer wachsen, weil sie durch die CNT «zusammenkleben» und dadurch weniger Licht erhalten. Um dies zu beweisen, entwickelten sie zwei weitere Tests, mit denen die Beschattung und das Zusammenkleben der Algen durch Nanopartikel quantitativ gemessen werden können. Die Ergebnisse zeigen, dass das verlangsamte Algenwachstum in der Tat hauptsächlich auf diese zwei Faktoren zurückzuführen ist. Fazit: CNT wirken nicht direkt toxisch auf Grünalgen, wie frühere Studien vermuten liessen. Die Algen haben in Gegenwart von CNT lediglich nicht die optimalen Wachstumsbedingungen, weil sie wie Landpflanzen genügend Platz und Licht zum Wachsen benötigen. Allerdings tritt die beobachtete Verklumpung und Beschattung erst bei höheren CNT-Konzentrationen auf (über einem Milligramm pro Liter), wie sie in der Umwelt wahrscheinlich noch nicht vorkommen. «Unsere Studie zeigt, wie schwierig es ist, die Wirkungen von Nanomaterialien auf Organismen detailliert zu verstehen», sagt Empa- und ART-Forscherin Fabienne

Schwab. Die Ergebnisse helfen, andere Nanopartikel zu testen, um deren Sicherheit für Mensch und Umwelt zu gewährleisten. Bis umfassende Erkenntnisse auch für komplexere Organismen als Grünalgen sowie Langzeitstudien vorliegen, rät Empa-Forscher Bernd Nowack, besonders ungebundene Nanopartikel nicht in die Umwelt freizusetzen. Quelle: Empa Originalpublikation Fabienne Schwab, Thomas D. Bucheli, Lungile P. Lukhele, Arnaud Magrez, Bernd Nowack, Laura Sigg, and Katja Knauer, «Are Carbon Nanotube Effects on Green Algae Caused by Shading and Agglomeration?», Environmental Science & Technology, 45 [14], 6136– 6144 (2011). Kontakt PD Dr. Bernd Nowack Empa, Technologie und Gesellschaft Lerchenfeldstrasse 5, CH-9014 St. Gallen Telefon +41 (0)58 765 76 92 nowack@empa.ch, www.empa.ch 12 / 2011

U M W E LT

Neue Bakterien-Toxine

Mit Modifikationen gegen resistente Schädlinge Toxine aus dem Bakterium Bacillus thuringiensis (Bt-Toxine) werden im ökologischen und konventionellen Landbau gegen Raupen eingesetzt. Als Pflanzenschutzmittel versprüht oder in gentechnisch veränderten Pflanzen erzeugt, minimieren sie Frassschäden in Gemüse, Mais oder Baumwollkulturen. Wissenschaftler aus USA, Mexiko, China und Deutschland modifizieren Bt-Toxine, um damit Schädlinge zu bekämpfen, die im Lauf der Zeit Bt-resistent geworden sind.

Bt-Toxine sind seit 1938 im Einsatz, seit 1996 wirken sie in transgenen Nutzpflanzen erfolgreich gegen Maiszünsler, Maiswurzelbohrer, Baumwollkapselwurm und die amerikanische Tabakeule − eine Mottenart. Im Laufe der Jahre haben sich Bt-resistente Schädlinge im organischen und konventionellen Landbau entwickelt. Wissenschaftler haben daher die Bt-Toxine Cry1Ab und Cry1Ac in ihrer molekularen Struktur verän-

dert, um die Resistenz zu brechen. Die neuartigen Toxine Cry1AbMod und Cry1AcMod wirken gegen fünf resistente Raupenarten, darunter Kohlmotte, Baumwollkapselwurm und Maiszünsler. Cry1AbMod und Cry1AcMod könnten allein oder in Kombination mit anderen Bt-Toxinen im Pflanzenschutz eingesetzt werden. Die Entwicklung der modifizierten Bt-Toxine beruht auf Ergebnissen zum Wirkmecha-

nismus von Cry1Ab und Cry1Ac. Warum haben die in B. thuringiensis natürlich vorkommenden Cry-Proteine eine solche durchschlagende giftige Wirkung gegen viele verschiedene pflanzenfressende Insekten? Schon vor einigen Jahren fanden Forscher im Darm von Raupen ein Bt-Toxin bindendes Protein; die Bindung löst das Absterben der Darmzellen und damit den schnellen Tod der Schädlinge aus. Es handelt sich um sogenannte Cadherine. Muta-

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Bild: Suyog Kuwar, MPI für chemische Ökologie

Bild: Melanie Marr, MPI für chemische Ökologie

U M W E LT

Bild 1. Amerikanische Tabakeule (Heliothis virescens)

tionen eines bestimmten Cadherins können Raupen gegen das Toxin resistent machen. Molekulare Analysen zeigten, dass die Bindung an Cadherin das Entfernen eines Strukturelements im Molekül, einer sogenannten alpha-Helix, in den Cry-Proteinen bewirkt, was den Zelltod auslöst − wahrscheinlich durch Cry-vermittelte Porenbildung in den Zellmembranen. Wissenschaftler aus den Gruppen um David G. Heckel an der Clemson University, South Carolina, USA, und der Universität Melbourne, Australien, entdeckten dann, dass mutierte Cadherine eine Bt-Resistenz verursachen. Sollten Cadherin-Mutationen oder die Abwesenheit von Cadherin zur Resistenz bestimmter Schädlinge geführt haben, müsste diese Resistenz mittels BtToxinen zu brechen sein, die von vornherein die entscheidende alpha-Helix nicht mehr aufweisen und folglich auch ohne Cadherin wirken müssten.

Neuartige Bt-Toxine aus Mexiko Cry1AbMod und Cry1AcMod, die von mexikanischen Wissenschaftlern um Mario Soberón und Alejandra Bravo entwickelt wurden, stellen exakt diese neuartigen BtToxine dar. 50

Bild 2. Baumwollkapselwurm (Helicoverpa armigera)

«Erstaunt waren wir allerdings über die Ergebnisse unserer Experimente, in denen wir zwölf resistente und nicht-resistente Stämme aus fünf bedeutenden Schädlingsarten überprüft haben: Die neuen Bt-Toxine wirkten nämlich auch gegen Stämme, deren Bt-Resistenz nicht auf Cadherin-Mutationen basiert», so David G. Heckel, Direktor der Abteilung Entomologie am MaxPlanck-Institut für chemische Ökologie in Jena. Besonders auffallend war eine 350fach stärkere Wirkung verglichen mit den natürlichen Toxinen Cry1Ab und Cry1Ac gegen einen Bt-resistenten Maiszünsler und einen resistenten Kohlmottenstamm. Dazu kam die ebenso interessante Beobachtung, dass die neuen Toxine sich als effektiv gegen einen resistenten Stamm der amerikanischen Tabakeule (Heliotis virescens) erwiesen, der zwar eine Cadherinmutation besitzt, jedoch zusätzlich auch eine resistenzvermittelnde Mutation in einem molekularen Transportprotein aufweist. Umgekehrt wirkten die neuen Toxine nur schwach gegen einige Stämme, deren die Bt-Resistenz nur auf verändertem Cadherin beruht. Würden sich die beiden neuartigen Bt-Toxine im Landbau als brauchbar erweisen, so sollten verschiedene Bt-Toxine in Kom-

bination eingesetzt werden, um den Landwirten eine sichere Wirkung gegen Frassschädlinge zu garantieren. Auch sind sich die Biologen darüber einig, dass Massnahmen zur Verminderung des Auftretens resistenter Schädlinge konsequent eingehalten und die Landwirte darüber ausführlich informiert werden sollten. Dazu gehören vor allem die Anwendung unterschiedlicher Pflanzenschutzmittel gegen Insektenfrass, Fruchtfolgen und ein paralleles Aussäen von nicht-Bt-Pflanzen in Feldern, in denen transgene Bt-Sorten zum Einsatz kommen. Quelle: Max-Planck-Gesellschaft

Originalpublikation Bruce E. Tabashnik et al., «Efficacy of genetically modified Bt toxins against insects with different genetic mechanisms of resistance», Nature Biotechnology doi:10.1038/nbt.1988 Kontakt David G. Heckel MPI chemische Ökologie Hans-Knöll-Strasse 8 D-07745 Jena Telefon +49 (0)3641 57 1500 heckel@ice.mpg.de www.ice.mpg.de 12 / 2011

V E R A N S TA LT U N G E N

Veranstaltungen JANUAR 2012 17.–19.01.

Messe: Swiss Plastics Ort: CH-6005 Luzern Veranstalter: Messe Luzern AG Horwerstrasse 87, CH-6005 Luzern Telefon +41 (0)41 318 37 00 www.messeluzern.ch, info@messeluzern.ch

18.–20.01.

Basisseminar Gaschromatographie Ort: D-12489 Berlin Veranstalter: Schulungen und Chromatographie Bernd Mischke Rudower Chaussee 29, D-12489 Berlin Telefon +49 (0)30 6392 6390 www.chromatographie-training.de chrompy@online.de

24.–26.01.

Kurs: Statistische Auswertung von Messwerten zur Qualitätssicherung Ort: CH-Basel Veranstalter: Sekulab Postfach 28, CH-4448 Läufelfingen www.sekulab.ch, dany.christen@bluewin.ch

30./31.01.

Fachtagung: Produktion in der chemischen Industrie Ort: D-30177 Hannover Veranstalter: Vereon AG Hauptstrasse 54, CH-8280 Kreuzlingen Telefon +41 (0)71 677 8700 www.chem-academy.com, info@chem-academy.com

14.02.

Lehrgang: Qualitätssicherung technischer Gase Ort: D-68159 Mannheim Veranstalter: Concept Heidelberg P.O. Box 10 17 64, D-69007 Heidelberg Telefon +49 (0)62 21 84 44 0 info@concept-heidelberg.de www.gmp-navigator.com

15.–17.02.

Seminar: Fehlersuche in der Gaschromatographie Ort: D-12489 Berlin Veranstalter: Schulungen und Chromatographie Bernd Mischke Rudower Chaussee 29, D-12489 Berlin Telefon +49 (0)30 6392 6390 www.chromatographie-training.de chrompy@online.de

20.–24.02.

Kurs: Methoden zur Charakterisierung von Kolloiden und Grenzflächen Ort: D-10623 Berlin Veranstalter: Technische Universität Berlin Institut für Chemie, Sekr. TC9 Strasse des 17. Juni 124, D-10623 Berlin Telefon +49 (0)30 3142 2822 gerd.hauck(@tu-berlin.de www.chemie.tu-berlin.de

22.–24.02.

Seminar: Fehlersuche in der HPLC Ort: D-12489 Berlin Veranstalter: Schulungen und Chromatographie Bernd Mischke Rudower Chaussee 29, D-12489 Berlin Telefon +49 (0)30 6392 6390 www.chromatographie-training.de chrompy@online.de

27.–29.02.

Seminar: Korrosion und Korrosionsschutz in Theorie und Praxis Ort: D-45127 Essen Veranstalter: Haus Der Technik e.V. Hollestrasse 1, D-45127 Essen Telefon +49 (0)201 1803 1 hdt@hdt-essen.de, www.hdt-essen.de

28./29.02.

Seminar: Feststoffmischer – Mischen und Granulieren in einem Apparat Ort: Stuttgart Veranstalter: VDI Wissensforum GmbH Postfach 10 11 39, D-40002 Düsseldorf Telefon +49 (0)211 6214 201 www.vdi-wissensforum.de wissensforum@vdi.de

28./29.02.

Seminar: Trocknen fester Stoffe Ort: D-45127 Essen Veranstalter: Haus Der Technik e.V. Hollestrasse 1, D-45127 Essen Telefon +49 (0)201 1803 1 hdt@hdt-essen.de, www.hdt-essen.de

29.02.

Kurs: Einführung in Funktion und Anwendung von AFM Ort: CH-4410 Liestal Veranstalter: Sekretariat Weiterbildung SCG/DAC c/o Eawag Überlandstrasse 133, CH-8600 Dübendorf Telefon +41 (0)58 765 52 00 verena.schmid@eawag.ch, www.sach.ch

FEBRUAR 2012 01.02.

Lehrgang: GMP-Grundlagen der Sterilproduktion Ort: D-69115 Heidelberg Veranstalter: Concept Heidelberg P.O. Box 10 17 64, D-69007 Heidelberg Telefon +49 (0)62 21 84 44 0 info@concept-heidelberg.de, www.gmp-navigator.com

Bild: Pixelio, K.-U. Gerhardt

09./10.02

Workshop: Prozessoptimierung bei Produktionsprozessen Ort: D-30177 Hannover Veranstalter: Vereon AG Hauptstrasse 54, CH-8280 Kreuzlingen Telefon +41 (0)71 677 8700 www.chem-academy.com, info@chem-academy.com

13./14.02.

12 / 2011

Seminar: Statistische Bewertung analytischer Daten Ort: D-55131 Mainz Veranstalter: Novia GmbH, Industriepark Höchst Gebäude B 845, D-65926 Frankfurt Telefon +49 (0)69 305 12020 www.novia.de, info@novia.de

V E R A N S TA LT U N G E N

Veranstaltungen MÄRZ 2012 05./06.03.

Seminar: Grundlagen der Hydraulik Ort: D-45127 Essen Veranstalter: Haus Der Technik e.V. Hollestrasse 1, D-45127 Essen Telefon +49 (0)201 1803 1 hdt@hdt-essen.de, www.hdt-essen.de

07.–09.03.

Basisseminar HPLC Ort: D-12489 Berlin Veranstalter: Schulungen und Chromatographie Bernd Mischke Rudower Chaussee 29, D-12489 Berlin Telefon +49 (0)30 6392 6390 www.chromatographie-training.de chrompy@online.de

07.–09.03.

Seminar: Methoden der Sicherheitsanalyse für verfahrenstechnische Anlagen Ort: D-39116 Magdeburg Veranstalter: VDI Wissensforum GmbH Postfach 10 11 39, D-40002 Düsseldorf Telefon +49 (0)211 6214 201 wissensforum@vdi.de, www.vdi-wissensforum.de

08.03.

Seminar: Biochromatographie Basiskurs Ort: D-89073 Ulm Veranstalter: Novia GmbH Industriepark Höchst, Gebäude B 845 D-65926 Frankfurt Telefon +49 (0)69 305 12020 www.novia.de, info@novia.de

12./13.03.

Seminar: Verfahrenstechnische Dimensionierung mit Erfahrungsregeln Ort: D-45127 Essen Veranstalter: Haus Der Technik e.V. Hollestrasse 1, D-45127 Essen Telefon +49 (0)201 1803 1 hdt@hdt-essen.de, www.hdt-essen.de

12./13.03.

Seminar: Technische Katalyse Ort: D-45127 Essen Veranstalter: Haus Der Technik e.V. Hollestrasse 1, D-45127 Essen Telefon +49 (0)201 1803 1 hdt@hdt-essen.de, www.hdt-essen.de

13.–16.03.

Kurs: Partikelmesstechnik: Anwendungen vom Nanometer- bis in den Millimeterbereich Ort: D-38640 Goslar Veranstalter: Forschungs-Gesellschaft Verfahrens-Technik e. V., Theodor-Heuss-Allee 25 D-60486 Frankfurt am Main Telefon +49 (0)69 7564 118 gvt-hochschulkurse@gvt.org, www.gvt.org

19.–21.03.

Kurs: Homogene Katalyse Ort: D-Rostock Veranstalter: Dechema e.V. Theodor-Heuss-Allee 25 D-60486 Frankfurt am Main Telefon +49 (0)69 7564 253 202 gruss@dechema.de, http://kwi.dechema.de

21.03.

Seminar: Headspace-GC Ort: D-65812 Bad Soden am Taurus Veranstalter: Novia GmbH Industriepark Höchst, Gebäude B 845 D-65926 Frankfurt Telefon +49 (0)69 305 12020 www.novia.de, info@novia.de

21.–23.03.

Kurs: Planung und Auswertung von Versuchen Ort: CH-Basel Veranstalter: Sekulab Postfach 28, CH-4448 Läufelfingen www.sekulab.ch, dany.christen@bluewin.ch

21.–23.03.

Aufbauseminar HPLC Ort: D-12489 Berlin Veranstalter: Schulungen und Chromatographie Bernd Mischke Rudower Chaussee 29, D-12489 Berlin Telefon +49 (0)30 6392 6390 www.chromatographie-training.de chrompy@online.de

26./27.03.

Seminar: Rektifikation in Theorie und Praxis Ort: D-45127 Essen Veranstalter: Haus Der Technik e.V. Hollestrasse 1, D-45127 Essen Telefon +49 (0)201 1803 1 hdt@hdt-essen.de, www.hdt-essen.de

26.–28.03.

Kurs: Sicherheit chemischer Reaktionen Ort: D-Berlin Veranstalter: Dechema e.V. Theodor-Heuss-Allee 25 D-60486 Frankfurt am Main Telefon +49 (0)69 7564 253 202 gruss@dechema.de, http://kwi.dechema.de

26.–28.03.

Kurs: Sicherheitstechnik in der Chemischen Industrie Ort: D-60486 Frankfurt am Main Veranstalter: Dechema e.V. Theodor-Heuss-Allee 25 D-60486 Frankfurt am Main Telefon +49 (0)69 7564 253 202 gruss@dechema.de, http://kwi.dechema.de

26.–28.03.

Seminar: Anwendung der InfrarotSpektroskopie in der chemischen Analytik und Qualitätskontrolle Ort: D-45127 Essen Veranstalter: Haus Der Technik e.V. Hollestrasse 1, D-45127 Essen Telefon +49 (0)201 1803 1 hdt@hdt-essen.de, www.hdt-essen.de

12 / 2011

V E R A N S TA LT U N G E N

InfoExpo in Basel und Zürich

Planar-, Gas- und Flüssigchromatografie Ein Seminar über chromatografische Methoden und Materialien, Workshops und eine Ausstellung – den Teilnehmern an einer der beiden infoExpo-Veranstaltungen am 9. November in Basel und am folgenden Tag in Zürich wurde viel geboten. Veranstalter war die infochroma AG, Zug.

Kurt Hermann Wenn eine Veranstaltung wie die infoExpo bereits zum 46. und 47. Mal durchgeführt wird, dann hat sich das Konzept bewährt. Und dieses ist einfach: Im Rahmen des Seminars wird über Anwendungen aus dem Bereich der Chromatografie referiert. Für die maximal 13 Aussteller steht in der Regel nur ein Tisch zur Ver fügung. Sie haben die Möglichkeit, einen kurzen Workshop durchzuführen, der bei Bedarf mehrmals wiederholt wird. Eingeladen werden Kunden aus dem Einzugsbereich des Veranstaltungsorts. Der Vormittag war den Referaten gewidmet. Im Einzelnen ging es dabei um Folgendes: ■ Heinrich Luftmann von der Universität Münster sprach über TLC-MS als effektives Hilfsmittel im Syntheselabor. Für Gemische mit unbekannten Komponenten, die mit TLC analysiert werden, wurde ein Gerät entwickelt, mit dem sich einzelne Spots sauber eluieren lassen. Das Eluat wird gesammelt oder direkt («online») zur massenspektrometrischen Analyse weitergeleitet. ■ Ute Beyer von SGE Europe Ltd. behandelte die Einflüsse von Eisenionen, die aus HPLC-Säulen freigesetzt werden. Diese füh-

ren zu Adsorption und Tailing, wodurch die Trennung, die Identifizierung und die Empfindlichkeit von Bestimmungen negativ beeinflusst werden. Eine teure Lösung des Problems wären vollständig metallfreie Anlagen. ProteCol-Säulen von SGE mit einer speziellen metallfreien Hardware bringen wesentliche Verbesserungen. ■ Mit hydrophiler Interaktionschromatografie (Hilic) lassen sich polare Komponenten trennen. André Dams, Advanced Materials Technology, erläuterte die Verwendung von Halo-Kolonnen für diese Technik. HaloKolonnenpackungen enthalten Partikel, die nach der Fursed-Core-Partikeltechnologie hergestellt werden. Die Partikel bestehen aus einem festen Kern, der von einer porösen Zone umgeben ist. Dies erlaubt schnelle und effiziente HPLC- und UHPLCTrennungen bei moderaten Drücken. ■ Fabrizio Sabini von Dionex (Schweiz) AG stellte den Corona Charged Aerosol Detector (CAD) vor, einen universellen Detektor mit einheitlichem Ansprechveralten unabhängig von der molekularen Struktur des Analyten. Schwerpunkt des Referats war die Verwendung eines inversen Gradienten zusammen mit dem Dionex UltiMate 3000

Bild 1. Heinrich Luftmann (Universät Münster) referierte über die Anwendung von TLC-MS im Syntheselabor.

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x2 Dual UHPLC+ -Systems. Die Komplettlösung liefert sogar dann isokratische Bedingungen bei der Detektion, wenn ein Gradient verwendet wird. Werden inverse Gradienten eingesetzt, können auch Substanzen quantifiziert werden, für die kein Standard verfügbar und deren chemischen Struktur noch unbekannt ist. ■ Über die Grundlagen der Fast-GC referierte Thomas Hiltebrand von Sigma-Aldrich. Fast GC wird typischerweise mit 0,10-mmID-Säulen mit Wasserstoff als bevorzugtem Trägergas durchgeführt. Die Heizraten sind wesentlich stärker im Vergleich zur konventionelen GC. Dies schlägt sich in kürzeren Analysezeiten bei vergleichbarer Trennung sowie reduzierten Kosten nieder. Zu beachten sind unter anderem die besonderen Druckverhältnisse sowie der Einsatz von Detektoren mit hohen Sammelraten. Kontakt Infochroma AG Sumpfstrasse 3 CH-6300 Zug Telefon +41 (0)41 748 50 60 info@infochroma.ch www.infochroma.ch

Bild 2. Diskussionen in den Pausen und während des Mittagessens waren ein wichtiger Bestandteil der Veranstaltung – hier in Basel.

POLITIK UND WIRTSCHAFT

Suva mit gutem Geschäftsjahr

Tiefere Prämien für die chemische Industrie Auf das Jahr 2012 kann die Suva ihre Prämien zum fünften Mal in Folge senken − im Durchschnitt über alle Branchen hinweg um 7 Prozent. Bei den Betrieben der chemischen Industrie reduzieren sich die Prämien in der Berufsunfallversicherung durchschnittlich um 6,2 Prozent.

Die Suva kann erneut auf ein gutes Geschäftsjahr zurückblicken und schliesst die Jahresrechnung 2010 mit einem Gewinn ab. Die rigorose Kostenkontrolle, rückläufi ge Versicherungskosten und die sinkende Zahl neuer Invalidenrenten haben zu diesem erfreulichen Ergebnis beigetragen. Bei der Suva werden Gewinne in Form tieferer Prämien an die versicherten Betriebe und deren Mitarbeiter weitergegeben. Dies ganz im Sinne der Sozialpartner, die im Verwaltungsrat der Suva vertreten sind. Kommendes Jahr beträgt die durchschnittliche Prämiensenkung für die Berufsunfallund die Nichtberufsunfallversicherung über alle Branchen hinweg 7 Prozent. Rund 275 Millionen Franken fliessen so an die SuvaKunden zurück. Damit reduzieren sich bei Betrieben die Lohnnebenkosten, was den Werkplatz Schweiz stärkt.

Rund 3,8 Millionen Franken gehen an die Betriebe zurück Den Unternehmen in der chemischen Industrie (Klasse 32A) gibt die Suva rund 3,8 Millionen Franken in Form tieferer Prämien zurück. In dieser Branche sinkt die Bruttoprämie für die Berufsunfallversicherung (BUV) im Durchschnitt um 6,2 Prozent. Da es sich hier um einen Durchschnittswert handelt, kann die Prämienveränderung pro Betrieb unterschiedlich ausfallen. In der Nichtberufsunfallversicherung (NBUV) reduziert sich die Prämie im Durchschnitt um 5,3 Prozent. Dass die Versicherten bereits zum fünften Mal in Folge von einer Prämiensenkung profitieren können, liegt einerseits an den konstanten Präventionsanstrengungen der Suva. Neben Kosteneinsparungen kann mit der Prävention auch viel Leid für Verunfallte und ihre Angehörigen verhindert werden. Andererseits wirkt sich hier die Effektivität 54

aller Massnahmen zur Wiedereingliederung aus. Seit die Suva 2003 das New Case Management eingeführt hat, sinkt die Zahl der Neurenten kontinuierlich, allein im vergangenen Jahr um 3,5 Prozent. Rund 130 Case Manager der Suva versuchen täglich, schwer verunfallte Arbeitnehmer mit verschiedenen unterstützenden Massnahmen auch für Arbeitgeber wieder in den Berufsalltag zu integrieren Weiter sind die Prämiensenkungen das Resultat verschiedener kostendämpfender Massnahmen. 2 Millionen Rechnungen kontrolliert die Suva jährlich manuell und elektronisch. Damit verhindert sie, dass jährlich 100 Millionen Franken unnötigerweise ausbezahlt werden. Zudem engagiert sich die Suva gegen Versicherungsmissbrauch und prüft jährlich mehrere hundert Fälle. Wird ein Missbrauch aufgedeckt, leitet die Suva die nötigen Schritte ein. Pro Fall spart sie damit bis zu einer halben Million Franken ein. Bis Ende 2010 wurden insgesamt 234 Fälle abgeschlossen.

Neuer Botschafter für die Arbeitssicherheit 250 000 Menschen verunfallen jedes Jahr bei der Arbeit. Besonders tragisch sind Unfälle, bei denen Menschen ihr Leben verlieren. Mit der «Vision 250 Leben» (siehe www.suva.ch/vision-250-leben-suva) will die Suva die Zahl schwerer Unfälle und Todesfälle innert zehn Jahren gemeinsam mit den Unternehmen gezielt reduzieren. Im Zentrum stehen die lebenswichtigen Sicherheitsregeln, die die Fachleute der Suva für alle Branchen und Tätigkeiten mit hohem Risiko erarbeiten. Im Kern gilt für alle: «Wenn Gefahr für Leben und Gesundheit droht, heisst es Stopp, die Arbeiten einstellen und die gefährliche Situation beseitigen.»

Diese Botschaft für sicheres Verhalten am Arbeitsplatz vermittelt seit kurzem der Dummy «Risky». Anders als Menschen kann Risky die Folgen tödlicher Fehler am Arbeitsplatz, beim Bedienen von Maschinen oder Besteigen von Gerüsten durchleiden und deshalb Unfälle und deren Folgen drastisch vor Augen führen. Damit will die Suva dazu aufrütteln, niemals unter unsicheren Bedingungen zu arbeiten. «Um Unfälle zu verhindern, sind Arbeitnehmer und Arbeitgeber sowie Planer gleichermassen gefordert», sagt Adrian Bloch, Bereichsleiter Arbeitssicherheit Bau der Suva. Schliesslich sind Unfälle kein Zufall, denn auf das Unfallrisiko kann jeder Betrieb durch das Einhalten und Durchsetzen von Sicherheitsregeln Einfluss nehmen. Quelle: Suva

Die Suva Die seit 1918 tätige Suva beschäftigt am Hauptsitz in Luzern, in den schweizweit 18 Agenturen und in den zwei Rehabilitationskliniken Bellikon und Sion rund 3000 Mitarbeitende. Sie ist ein selbständiges Unternehmen des öffentlichen Rechts und versichert rund 115 000 Unternehmen bzw. 2 Mio. Berufstätige und Arbeitslose gegen die Folgen von Unfällen und Berufskrankheiten. Die generiert ein Prämienvolumen von rund 4,3 Mrd. Franken. Die Dienstleistungen der Suva umfassen Prävention, Versicherung und Rehabilitation. Sie arbeitet selbsttragend und gibt Gewinne in Form von tieferen Prämien an die Versicherten zurück. Im Verwaltungsrat sind die Sozialpartner – Arbeitgeber und Arbeitnehmer – und der Bund vertreten. Quelle: Suva

12 / 2011

Foto: Thomas Eltz

POLITIK UND WIRTSCHAFT

Bild 1. Eine duftstoffsammelnde Prachtbiene (Männchen von Euglossa viridissima) vor einer Blüte.

Fliegende Parfümliebhaber

Wie Orchideen von Bienen abhängig wurden Parfümorchideen und parfümsammelnde Prachtbienen sind Partner bei der Fortpflanzung. Ihre Zusammenarbeit entwickelte sich allerdings nicht aufgrund einer wechselseitigen Koevolution, sondern in Form einer einseitigen Anpassung der Orchideen an die Prachtbienen (Euglossini). Durch DNA-Sequenzanalysen rekonstruierte ein Team aus deutschen und amerikanischen Biologen die Abstammungsverhältnisse von 130 Orchideenarten aus Mittel- und Südamerika, deren Pollen sie an Euglossini fanden. Parallel dazu erstellten sie einen Stammbaum der Prachtbienen. Die Artaufspaltung der Orchideen und der Bienen fand völlig asynchron statt.

Thomas Eltz vom RUB-Lehrstuhl für Evolutionsökologie und Biodiversität der Tiere sagt: «Die Männchen der Prachtbienen sind, salopp gesagt, dufte Kerle». Sie sammeln Düfte aus ihrer Umwelt und konservieren sie in speziellen Taschen der Hinterbeine. So stellen sie im Laufe ihres Lebens komplexe Parfüme aus verschiedenen Duftquellen zusammen. Die Parfüme verbreiten sie im Zuge ihres Balzverhaltens, wahrscheinlich um Paarungspartner anzulocken und von ihrer Qualität zu überzeugen. 12 / 2011

Beim Duftsammeln kommen sie mit dem Pollen der Orchideen in Kontakt, der sich in Form von Paketen an den Bienenkörper anklebt und zur nächsten Blüte weitergetragen wird.

Orchideen locken Bienenmännchen an «Mehr als 600 Orchideenarten produzieren hochspezifische Blütendüfte, um die Bienenmännchen zum Duftsammeln einzu-

laden und so als Bestäuber zu gewinnen», erklärt Eltz. «Die Pflanzen nutzen bizarre Mechanismen, damit die Pollenpakete gezielt angeheftet werden, zum Beispiel Rutschbahnblüten oder Katapulte.» Unklar war jedoch, wie es im Lauf der Evolution zu diesem komplexen Zusammenspiel kam. Das deutsch-amerikanische Team fand heraus, dass das Duftstoffsammeln der Prachtbienen vor etwa 40 Millionen Jahren im Eozän begann, während die ersten 55

PANORAMA

Parfümorchideen erst etwa 10 Millionen Jahre später im Oligozän erschienen. Auch erfolgte die entscheidende Artaufspaltung der Prachtbienen deutlich vor der Artexplosion der Parfümorchideen, die innerhalb der letzten ein bis fünf Millionen Jahre stattfand. «Es sieht also so aus, als hätten sich die Orchideen der vorhandenen Verhaltensweise einer Bienengruppe bedient», fasst Eltz zusammen.

Unabhängige Evolution der Bienen «Die Orchideen haben sich an die bestehende Vielfalt von Bienenarten und deren jeweiligen Duftpräferenzen angepasst und sich im Zuge dieser Anpassungen selbst in eine Vielzahl von Arten aufgespalten.» Die Erkenntnisse gewannen die Forscher durch die sogenannte molekulare Uhr. Die Anzahl der unterschiedlichen Bausteine (Nukleotide) in der DNA zweier Arten verrät den Zeitpunkt, zu dem sich die Arten voneinander abspalteten.

Die Evolution der Bienen scheint nicht massgeblich von den Orchideen beeinflusst worden zu sein. Nur einen kleinen Teil der Prachtbienenparfüms konnten die Forscher auf die Parfümorchideen zurückführen. Wichtiger sind hingegen Pflanzensäfte, Harze, Pilze oder vermoderndes Holz. Die Asymmetrie in der gegenseitigen Abhängigkeit zwischen Prachtbienen und Parfümorchideen beschreiben die Wissenschaftler in Interaktionsnetzwerken. Daraus wird ersichtlich, dass jede Parfümorchidee nur von einer oder sehr wenigen Prachtbienenarten bestäubt wird. Viele Prachtbienenarten leisten jedoch mehreren, zum Teil nur entfernt verwandten Orchideenarten, Betäubungsdienste. «Die Ergebnisse machen deutlich, dass ein Aussterben des einen oder anderen Partners sehr unterschiedliche Konsequenzen hätte», so Eltz. «Ohne die Bienen würden die Orchideen sofort aussterben. Das Aussterben von Orchideenarten zöge jedoch

nur langsam oder gar nicht das Aussterben von Bienenarten nach sich.» Quelle: Ruhr-Universität Bochum

Originalpublikation Santiago R. Ramírez et al., «Asynchronous Diversification in a Specialized Plant-Pollinator Mutualism», Science 333 [6050], 1742–1746 (2011).

Kontakt PD Dr. Thomas Eltz Ruhr-Universität Bochum Fakultät für Biologie und Biotechnologie Universitätsstrasse 150 D-44780 Bochum Telefon +49 (0)234 32 27237 thomas.eltz@rub.de www.ruhr-uni-bochum.de

Evolutionäre Anpassung bei Pfeilgiftfröschen

Laute Nachbarn stören überhaupt nicht Zehn Arten von Fröschen rufen lauthals um Aufmerksamkeit ringend durcheinander. Wie soll sich da der richtige angesprochen fühlen? Pfeif- und Pfeilgiftfrösche in Peru haben eine Lösung gefunden: Jede Art reagiert ausschliesslich in jenen Frequenzbereichen, die klar von den Rufen der Nachbararten abgegrenzt sind. Dies ist das Ergebnis einer Freilandstudie von Wissenschaftern um Walter Hödl vom Department für Evolutionsbiologie der Universität Wien.

Bei Tieren, die sich über Laute verständigen, hat die akustische Umgebung einen wesentlichen Einfluss auf die Evolution arteigener Signale – und darauf, wie und ob sie erkannt werden. Für die Kommunikation innerhalb der eigenen Art stellen naturgemäss die Lautäusserungen gleichzeitig aktiver Arten ein Problem dar. Das beeinflusst die Evolution akustischer Signale. Die einmalige Artendichte der «bunten Juwelen des Regenwaldes» im peruanischen Schutzgebiet von Panguana ermöglichte es den 56

Forschern, den Einfluss synchron rufender Pfeilgiftfroscharten auf das Kommunikationssystem bei Fröschen zu untersuchen.

Analyse des phonotaktischen Antwortverhaltens der Frösche «Bisher haben sich akustische Freilandstudien vorwiegend mit den Sendern beschäftigt. Unser innovativer Ansatz war es, auch die Empfänger mit einzubeziehen», sagt Walter Hödl, Tropen- und Evolutionsbiologe

der Universität Wien. In 570 Rückspielversuchen wurde das phonotaktische Antwortverhalten territorialer Männchen auf modifizierte arteigene Balzlaute im Regenwald untersucht. Hödls Mitarbeiter Herbert Gasser erläutert: «Die bei Pfeilgiftfröschen verlässlich auslösbare Orientierung und Anwanderung an eine Schallquelle gab uns eindeutige Hinweise auf die Signalwahrnehmung und -erkennung bei den untersuchten Arten.» Und genau darin liegt die entscheidende Erkenntnis. 12 / 2011

PANORAMA

Im peruanischen Amazonasregenwald tummeln sich eine Pfeif- und neun Pfeilgiftfroscharten am Waldboden. In ihrer Fortpflanzungsperiode machen die tagaktiven Frösche lautstark auf sich aufmerksam. Mit ihren markanten Stimmen locken die fortpflanzungsaktiven Männchen – und nur diese sind lautbegabt – die paarungsbereiten Weibchen an. Ihre Mitbewerber halten sie mit ihren stark frequenzmodulierten Rufen auf Distanz oder vertreiben sie, wenn der Schallpegel einen bestimmten Schwellenwert überschreitet.

«Bei der von uns untersuchten Froschgemeinschaft konnten wir weder zeitliche noch räumliche Auftrennungen im Balzrufverhalten der einzelnen Arten feststellen», so Hödl. «Alle Froscharten müssen offensichtlich die optimalen Niederschlagsbedingungen gleichzeitig nutzen, um sich erfolgreich anzuzeigen und fortzupflanzen.» In der akustischen Arena ist es für die Männchen eine besondere Herausforderung, zu erkennen, wo und ob ein Frosch der eigenen Art ruft, da sich die Lautäusserungen der einzelnen Arten in ihrem zeitlichen und spektralen Muster partiell überlappen. Einfacher gesagt: Die Arten rufen gleichzeitig durcheinander und das teilweise auch noch im gleichen Frequenzbereich. Damit dabei trotzdem kein Chaos entsteht, ist folgende evolutionäre Lösung gefunden worden: Jede Froschart besitzt ihren artspezifischen – gegenüber den spektralen und zeitlichen Rufmustern von Nachbararten klar getrennten – akustischen Kanal. Die Tiere reagieren also nur auf jene Lautanteile, die unmissverständlich von ihren Artgenossen kommen, wenngleich sie bei ihren Rufen auch

Bilder: Universität Wien

Störungsfreie Kommunikation im Stimmenwirrwarr

Bild 1. Vier prominente Vertreter der artenreichen und lautstarken Pfeilgiftfroschfauna von Panguana, Peru. Im Uhrzeigersinn von links oben: Allobates femoralis, Ameerega picta, Ranitomeya lamasi und Ameerega hahneli.

Frequenzen verwenden, die mit Nachbararten identisch sein können. Entscheidend für die Erhaltung der Art ist also das Reaktions- und Erkennungsvermögen des artspezifischen Frequenzbereichs und nicht die Gesamtheit des akustischen Signals selbst. Mit ihrer selektiven Signalwahrnehmung vermeiden die Frösche Fehlreaktionen auf artfremde Rufe. «Für uns Menschen erscheint das Stimmenwirrwarr im Regenwald nahezu unauflösbar», so Hödl abschliessend, «aber den Fröschen ist es damit möglich, völlig störungsfrei in ihrem akustisch dicht gedrängten Lebensraum zu kommunizieren.»

Quelle: Universität Wien

Originalpublikation Adolfo Amézquita, Sandra Victoria Flechas, Albertina Pimentel Lima, Herbert Gasser, and Walter Hödl, «Acoustic interference and recognition space within a complex assemblage of dendrobatid frogs», PNAS Published online before print October 3, 2011, doi:10.1073/pnas.1104773108 Kontakt Ao. Univ.-Prof. Mag. Dr. Walter Hödl Department für Evolutionsbiologie Universität Wien Althanstrasse 14 (UZA I) A-1090 Wien Telefon +43 (0)1 4277 544 95 walter.hoedl@univie.ac.at www.univie.ac.at

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PANORAMA

Indischer Bernstein mit kostbarem Inhalt

52 Millionen Jahre alte Symbiose konserviert An der Universität Göttingen wurden in einem 52 Millionen Jahre alten indischen Bernstein Belege für eine noch heute vorkommende Form der Symbiose zwischen Pilzen und Pflanzenwurzeln entdeckt, die Mykorrhizen. Diese bezeichnen eine weitverbreitete Form der Lebensgemeinschaft zwischen Bodenpilzen und den Wurzeln bestimmter Pflanzen. Der Pilz tritt mit dem Wurzelsystem des Wirts in Kontakt, vergrössert mit seinen fadenförmigen Zellen die Wurzeloberfläche der Pflanze und unterstützt so deren Nahrungsaufnahme. Im Gegenzug liefert die Pflanze Energie in Form von Zuckern, mit denen der Pilz die für sein Wachstum notwendigen Substanzen produziert.

Bilder: Uni Göttingen

dieses Präparat genauso akribisch untersuchen wie die heute lebenden.» In weiteren Untersuchungen wurden die organischen Bestandteile der versteinerten Pilz-Pflanzen-Lebensgemeinschaft analysiert. So haben die Forscher beispielsweise erstmals den schwarzen Farbstoff Melanin in fossilen Pilzen nachgewiesen.

Bild 1. Ektomykorrhizzen in indischem Bernstein.

Bild 2. Aufnahme der Mykorrhizaoberfläche mit einem Rasterelektronenmikroskop.

Wie die Forscher herausfanden, spielten die Mykorrhizen offenbar bereits in den frühen tropischen Regenwäldern der Erdgeschichte eine bedeutende Rolle.

– also der Bernstein – wurde von Bäumen eines frühen tropischen Regenwaldes produziert», erklärt Alexander Schmidt vom Courant Forschungszentrum Geobiologie. «Mykorrhizenfunde in Fossilien sind extrem selten. Tatsächlich ist bisher nur ein weiteres Fossil von Ektomykorrhizen entdeckt worden.»

Vielfältige Einblicke in morphologische Details Die Wissenschaftler des Courant Forschungszentrums Geobiologie der Universität Göttingen haben erstmals fossile Mykorrhizen gefunden, die mit bedecktsamigen Blütenpflanzen (Pflanzen, deren Samenanlagen in einem Fruchtknoten eingeschlossen sind) assoziiert sind. Dabei handelt es sich um eine besondere Art der Pilz-Pflanzen-Symbiose, die sogenannten Ektomykorrhizzen. Bei dieser Form der Symbiose dringt der Pilz nicht in die Wurzelzellen der Pflanzen ein. Die gefundenen Einschlüsse im Bernstein lassen verschiedene Entwicklungsstadien erkennen und geben Einblicke in vielfältige morphologische Details. «Das fossile Harz 58

In Zusammenarbeit mit indischen Paläontologen und dem American Museum of Natural History in New York gelang den Wissenschaftlern eine detaillierte Bearbeitung der Fossilien. «Der indische Bernstein unterscheidet sich in seiner chemischen Zusammensetzung deutlich von dem Baltischen Bernstein des Ostseeraumes und lässt sich in organischen Lösungsmitteln leicht lösen», erklärt Christina Beimforde, Spezialistin für fossile Pilze am Courant Forschungszentrum. «Durch diese Besonderheit konnten wir eines der Mykorrhizasysteme aus dem fossilen Harz herauslösen. Durch ultrastrukturelle Analysen unter dem Rasterelektronenmikroskop konnten wir

Bereits vor über 400 Millionen Jahren unterstützten Pilze die Pflanzen bei der Eroberung des Festlandes – diese Lebensgemeinschaft gilt als Schlüsselinnovation in der Evolution der Pflanzen. Nach Ansicht der Wissenschaftler ist der 52 Millionen Jahre alte Bernstein ein weiterer Beleg für die morphologische Stabilität der Mykorrhizen, die auch in heutigen Ökosystemen eine wichtige Funktion einnehmen. Quelle: Universität Göttingen

Originalpublikation Christina Beimforde et al., «Ectomycorrhizas from a Lower Eocene angiosperm forest», New Phytologist 192 [4], 988–996 (2011).

Kontakt Dr. Alexander Schmidt Georg-August-Universität Göttingen Courant Forschungszentrum Geobiologie Goldschmidtstrasse 3 D-37077 Göttingen Telefon +49 (0)551 39-957 Alexander.Schmidt@geo.uni-goettingen.de www.uni-goettingen.de/de/96460.html 12 / 2011

PRODUKTE

Neue Spektralfotometer Shimadzu hat eine neue Serie von Spektrofotometern vorgestellt: Das UV-2700, ein Zweistrahl-Doppelmonochromator-System und das UV-2600 als Einfachmonochromator-Version. Die kompakten Spektralfotometer ermöglichen präzise Spektralanalysen in einem weiten Probenbereich – etwa von organischen und anorganischen Verbindungen, biologischen Proben, optischen Werkstoffen und Fotovoltaiksubstanzen. UV-2600 und UV-2700 bieten Spitzenleistungen hinsichtlich Streulicht, Spektralbereich und Abtastgeschwindigkeit. Mit einer Stellfläche von gerade einmal 45 × 60 cm wurde der Platzbedarf im Vergleich zu den Vorgängermodellen UV2450 und UV-2550 um knapp 30 Prozent reduziert. Das UV-2700 deckt einen Wellenlängenbereich von 185 bis 900 nm ab und ist bestens geeignet für höchst anspruchsvolle Anwendungen, wie zum Beispiel eine direkte Messung von Proben mit hoher Dichte von bis zu acht Absorptionseinheiten ohne Verdünnung. Das

hohe Leistungsniveau des optischen Systems basiert auf dem LoRay-Ligh-Beugungsgitter und nutzt ein neues holografisches Verfahren, das höchste Effizienz bietet und ein ausserordentlich geringes Streulicht. Wo das extrem niedrige Streulichtniveau des UV-2700 nicht benötigt wird, kann die UV-2600 Einfachmonochromator-Version zum Einsatz kommen. In Verbindung mit dem ISR-2600 Plus-Doppeldetektorsystem (mit Ulbrichtkugel) wird ein Messbereich bis zu 1400 nm möglich. Dieser breite Bereich erlaubt, optische Werkstoffe zu bestimmen oder Fotovoltaik-Substanzen näher zu untersuchen. Für beide Systeme ist eine grosse Auswahl an neuem Zubehör erhältlich wie zum Beispiel eine Quecksilber-Leuchteinheit zur Validierung oder eine Ulbrichtkugel mit Einzeloder Doppeldetektor. Zusammen mit dem MehrzweckMPC-2600 mit grossem Probenraum ermöglichen sie die Messung von Proben unterschiedlichster Form. Zahlreiche Zellhalter, wie ein temperaturkonstanter Zellhalter, ein

Folienhalter und eine Probenzelle für Pulver lassen sich montieren. Die Geräte werden durch die neue UV Probe-Software Version 2.40 gesteuert. Optionale Software-Pakete für Farbe, Schichtdicke und Tm-Analyse sind erhältlich. Für pharmazeutische und andere Anwendungen, die eine HardwareValidierung erfordern, gehört bei den UV-2600/2700-Baureihen eine Validierungssoftware zum Lieferumfang. USP-, EP- und JP-Prüf-

vorschriften werden unterstützt. UV-2600 und UV-2700 sind mit Standard-USB-Schnittstellen ausgestattet, die für einen leichten Datenimport und -export sorgen.

Shimadzu Schweiz GmbH Römerstrasse 3 CH-4153 Reinach Telefon 41 (0)61 717 93 33 info@shimadzu.ch www.shimadzu.ch

Einweg-Reagenzienreservoire mit sichtbarer Volumengraduierung

Neu von Integra sind die Viaflo Einweg-Reservoire. Der besondere Aufbau aus zwei Komponenten, nämlich Einweg-Reservoireinsätze (Inlays) aus klarem Polystyrol und wiederverwendbaren Trägergefässen mit Graduierung, schont die Umwelt und bringt Preisvorteile. Die Trägergefässe, die nicht direkt

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mit der Flüssigkeit in Kontakt kommen, können wiederverwendet werden und nur die Reservoir-Einsätze (Inlays) werden entsorgt. Die Inlays sind stapelbar und benötigen nur halb soviel Platz wie herkömmliche Systeme. Da die Volumengraduierungen auf der Innenseite der Trägergefässe

gut sichtbar aufgedruckt und nicht in die Reservoireinsätze eingeprägt sind, kann der Benutzer schnell und genau sehen, wieviel Flüssigkeit sich im Reservoir befindet. Das spezielle Design der 25 und 100 ml fassenden Reagenzienreservoire bewirkt, dass die Graduierung «verschwindet», sobald sie unterhalb des Flüssigkeitspegels liegt. Dadurch wird die Ablesbarkeit des Volumens signifikant verbessert. Ausgiessnasen an jeder Ecke des Reservoirs begünstigen das tropffreie Rückführen von Reagenz in das Originalgefäss. Durch ihre Doppelfunktion können die Inlays in zweierlei Hinsicht verwendet werden: Primär dienen sie als Reagenzbehälter, können aber auch als Deckel auf das Trägergefäss spaltfrei aufgelegt werden. Dies schützt vor Verdunstung und verhindert Kontaminationen. Die Reservoireinsätze sind ausserdem umweltfreundlich verpackt: Eine Papierabziehfolie garantiert die Sterilität jedes

einzelnen Inlays, sodass auf eine Umverpackung aus Kunststoff vollkommen verzichtet werden kann. Reagenzienreservoire sind essenzielle Hilfsmittel für eine Vielzahl von Liquid-Handling-Anwendungen. Das Design der Integra-Reagenzienreservoire gewährt eine höhere Genauigkeit, verbesserte Kosteneffizienz und Optimierung unter umweltfreundlichen Aspekten. Davon profitieren Anwendungen wie Elisa-Tests, Medienzugaben in der Zellkultur, PCR-Untersuchungen, Sequenzierungsreaktionen, kinetische Tests und andere Protokolle, bei denen Flüssigkeiten temporär und kontaminationsfrei aufbewahrt werden müssen.

Integra Biosciences AG Tardisstrasse 201 CH-7205 Zizers Telefon +41 (0)81 28695 30 info@integra-biosciences.com www.integra-biosciences.com

PRODUKTE

Probenkonzentration in Labors für Lebensmitteltechnologie Genevac meldet die intensivere Nutzung seiner EZ-2- und RocketEvaporationssysteme durch Lebensmittellabors beispielsweise für Qualitätsprüfungen von Getränken, für Pestizidanalysen bei Obst und Gemüse und für die Bestimmung des Vitamingehalts von Zerealien. Die Website www.genevac.com/ food informiert über die neuesten technologischen Entwicklungen, über Fortschritte bei Anwendungen und Fremdgutachten, die veranschaulichen, wie neue Techniken zur Vorbereitung von Evaporationsproben lebensmitteltechnischen Labors zugute kommen. Qualitäts- und Sicherheitsprüfungen von Inhaltsstoffen und Fertigprodukten in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie sind für Exporteure, Importeure und staatliche Behörden von grosser Bedeutung. Um präzise analytische Ergebnisse für Lebensmittel und Getränke zu erhalten, kommt es auf die sorgfältige Vorbereitung von Proben an – vor allem, wenn der entsprechende Analyt flüchtig ist. Die geschützte Technologie der Genevac-Systeme wurde in Zusammenarbeit mit führenden Analyselaboratorien weltweit entwickelt. Dieses Know-how gewährleistet in Zusammenwirkung mit grundlegen-

Kompakte Umwälzkühler für das Labor Minichiller eignen sich dadurch bestens zum Kühlen von Reaktorblöcken, Dampfsperren, Vakuumpumpen, Rotationsverdampfern oder Wärmetauschern. Die Geräte ermöglichen stabile Applikationsbedingungen durch konstante Werte für Temperatur, Druck und Durchfluss und erlauben einen Dauerbetrieb bei Umgebungstemperaturen bis + 40 °C.

den Technologien wie Dri-Pure und SampleGenie, dass Lebensmittelund Getränkeproben schnell, sicher und mit hoher Reproduzierbarkeit konzentriert werden. Weblinks zu einer Bibliographie wissenschaftlicher Publikationen in Peer-Review-Fachzeitschriften geben einen weiteren Einblick, wie moderne Verfahren für Evaporationsproben Lebensmittellabors helfen, die Qualität von Speisen und Getränken zu verbessern und die Sicherheit ihrer Produkte zu gewährleisten.

Genevac Ltd The Sovereign Centre Farthing Road Ipswich, Suffolk IP1 5AP - UK Telephone +44 (0)1473 240 000 salesinfo@genevac.co.uk www.genevac.com

Die kompakten Huber Minichiller überzeugen als preisgünstige und umweltfreundliche Kühllösung für zahlreiche Laborapplikationen. Eine Kalkulation für Wasser- und Abwasserkosten ergibt, dass ein Minichiller in einer Arbeitswoche bis zu 48 000 Liter Wasser einsparen kann. Aufgrund des geringen Anschaffungspreises amortisiert sich die Investition bereits nach kurzer Zeit. Die Geräte benötigen mit 225 × 360 mm Stellfläche nur wenig Platz auf dem Labortisch und bieten Arbeitstemperaturen von – 20 bis + 40 °C bei einer Kälteleistung von 300 Watt.

Trotz des günstigen Anschaffungspreises sind die Kühler gut ausgestattet und verfügen über eine grosse Temperaturanzeige, Füllstandsanzeige sowie Status-LED für Pumpe, Kühlung und Heizung. Als Aufpreisoptionen sind eine RS232Schnittstelle und eine 1-kW-Heizung erhältlich. Mit der Heizung wird der Temperaturbereich auf + 100 °C erweitert. Minichiller gibt es luft- und wassergekühlt, alle Modelle arbeiten mit natürlichem Kältemittel.

Peter Huber Kältemaschinenbau GmbH Werner-von-Siemens-Strasse 1 D-77656 Offenburg Telefon +49 (0)781 960 30 info@huber-online.com www.huber-online.com

Statistische Laserstreuung für Partikelgrössemessung bis 2000 µm Die Vorteile: • Messbereich 0,01–2000 µm • kurze Messzeit • hohe Messgenauigkeit • sichere Reproduzierbarkeit • verlässliche Vergleichbarkeit • benutzerfreundliche Bedienung.

Die Laser-Partikelmessgeräte Analysette 22 sind weltweit in der Produktions- und Qualitätskontrolle, in Forschung und Entwicklung zur präzisen Messung von Partikelgrössen im Einsatz. Ihre entscheiden-

den Vorteile sind einfachste Bedienung, kurze Analysezeiten, sicher reproduzierbare und verlässlich untereinander vergleichbare Ergebnisse. Und das beste Verhältnis von Preis und Leistung.

Die Analysette 22 MicroTec plus ist der Allround-Laser mit einem Messbereich von 0,08 bis 2000 µm für alle gängigen Messaufgaben. Die Analysette 22 NanoTec plus ist das High-End-Gerät für Messungen bis in den Nano-Bereich – für höchste Genauigkeit und Empfindlichkeit bei kleinsten Partikeln durch die Messung der Rückwärtsstreuung in einem dritten Laserstrahl. Jede Analysette 22 besteht aus einer kompakten Messeinheit, die schnell und einfach mit unterschiedlichen Dispergiereinheiten

zur Trocken- bzw. Nassmessung kombiniert werden kann. Zum schnellen Wechsel zwischen den Dispergiereinheiten wird einfach die Kassette mit der Messzelle umgesteckt. Die Messdauer mit der Analysette 22 liegt für die meisten Messvorgänge bei unter einer Minute. Anschliessend ist das Gerät sofort wieder einsatzbereit. Die Darstellung der Ergebnisse direkt am Bildschirm ist übersichtlich. Berichte können an die individuellen Bedürfnisse angepasst werden.

Tracomme AG Webereistrasse 47 CH-8134 Adliswil Telefon +41 (0)44 709 07 07 tracomme@tracomme.ch www.tracomme.ch

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PRODUKTE

CO2-Inkubator Der CO2-Inkubator MCO-19AIC von Sanyo wurde für die anspruchsvollen und regulierten Anwendungen in der Bio- und pharmazeutischen Medizin, der medizinischen Forschung und in den klinischen Labors entwickelt. Durch die jahrelange Forschung und Entwicklung von Sanyo bietet der Inkubator eine herausragende Leistung und fortgeschrittene Multi-Level-Kontaminationskontrolle – die ideale Lösung für Zellkulturprotokolle. ■ Dreifacher Kontaminationsschutz. Das MCO-19AIC H2O2-Dekontaminationssystem limitiert die Zeit für eine komplette und verifi zierte Kammersterilisation auf weniger als drei Stunden. Alle inneren Komponenten werden gleichzeitig dekontaminiert; kein Entfernen des Zubehörs notwendig. ■ Exklusiver inCu saFe-Keimschutz. Sämtliche Innenflächen bestehen aus mit Kupfer angereichertem Edelstahl, welcher einen permanent keimtötenden Schutz bildet. Somit wird der Verschmutzung

durch die Luft entgegengewirkt. Tests mit vier Mikroplasma-Bakterienstämmen haben die überlegene Wirkung der keimtötenden Eigenschaften belegt. Korrosionsfest und Verfärbungsfrei. ■ UV SafeCell beinhaltet eine programmierbare und von den Zellkulturen abgeschirmte UV-Lampe, welche Erreger in der Umluft sowie im Feuchtigkeitsreservoir beseitigt, ohne die In-vitro-Zellkulturen zu

Vielseitig einsetzbarer Gefriertrockner Der Beta 2-4 «Low Temperature»Gefriertrockner der Firma Martin Christ GmbH bietet eine Eiskondensatorentemperatur von –105 °C. Besonders einsetzbar ist er zur Trocknung von Produkten, die Lösemittel wie zum Beispiel Alkohole (t-Butanol, Methanol, Ethanol, ...), Acetonitril, TFA, DMSO enthalten. Die Anlagesteuerung Ldplus («Lyo Display») erlaubt die einfache und intuitive Bedienung in verschiedenen Sprachen, sowie Vakuumregelung für schnellere Prozesse. Zur Anlage ist ein umfangreiches Zubehör verfügbar, zum Beispiel Edelstahl- oder Acrylglastrocknungskammern, unbeheizte Stellflächen. Sie ist auch als Kühlfalle für Rotations-Vakuumkonzentratoren oder andere Vakuumzentrifugen verwendbar und sowohl in luft- als auch in wassergekühlter Ausführung erhältlich. Ein übersichtliches LC-Display dient der Anzeige der wichtigsten Prozessparameter (Eiskondensatortemperatur, Prozesszeit, Abschnittszeit und Vakuum). Die komfortable selbsterklärende Menü-Navigation liegt in diversen Sprachen vor.

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Als Zubehör ist eine Vakuumregelung zur Prozessoptimierung/ -reduzierung (elektromagnetisches Druck steuerventil) erhältlich. Verfügbar ist zudem eine Umrechnung zwischen Produkttemperatur und Vakuum gemäss Dampfdruckkurve über Eis. Eine RS-232-Schnittstelle zur Anbindung ist als Option erhältlich (zum Beispiel zur Prozessdokumentation mithilfe der ChristSoftware LyoLog LL-1). Die technischen Daten: • Eiskondensatorvolumen: 4 Liter • Eiskondensatorleistung: 2 kg/24 h • Eiskondensatortemperatur: –105 °C • Maximal 5 Stellflächen (D = 265 mm) • Kolbentrocknung: 8/12/16 oder 24 Gummiventile. Adolf Kühner AG Dinkelbergstrasse 1 CH-4127 Birsfelden (Basel) Telefon +41 (0)61 319 93 93 fwirth@kuhner.com www.kuhner.com

beeinflussen. Kontaminationen werden durch hochintensives ozonfreies UV-Licht zerstört. Die vertikale Luftumwälzung stoppt beim Öffnen der Türe automatisch. Die Stabilisierung des Kammerklimas wird deutlich beschleunigt. Intelligente Kontrolle und Überwachung. ■ Exakte Temperatur- und Feuchtigkeitskontrolle dank des patentierten Direct Heat and Air JacketLüftungssystems. Die präzise Temperaturregulation erfolgt mittels drei unabhängigen mikroprozessorgesteuerten Heizzonen (PID Control). Die sanfte Luftumwälzung sorgt für mehr Ausgleich und Stabilität. Für die Wasserstandsüberwachung ist ein optischer Sensor vorhanden. ■ Präzise CO2-Kontrolle mit Single Beam Dual Detector Infrarot CO2System für nie dagewesene Kontrollgenauigkeit und Stabilität. Das Kammerklima wird ultraschnell wiederhergestellt – ohne Overshoot und unter Einhaltung des CO2-Mit-

telwertes auch in Zeiten, in welchen der Inkubator häufig geöffnet wird. ■ Das MCO-19AIC Kontroll- und Informationszentrum verfügt über ein intuitives Pop-up-Menü mit grafischer LCD-Anzeige für Eingaben, Anzeigen und Funktionsübersicht. Multi-point data logging sowie Sanyos DAQ-System für Datenübertragung, Protokollierung und Echtzeitüberwachung. Damit die Türe nicht zu lange offen bleibt, gibt es eine Alarmfunktion. Eine mechanische Türsicherheitssperre sorgt während des H2O2-Dekontaminationsprozesses für die Sicherheit der Benutzer. Technische Daten: Nutzinhalt 170 Liter, Leergewicht 93 kg, Aussenmasse 620 × 710 × 900 mm (B × T × H), wechselbarer Türanschlag. Labtec Services AG Gewerbering 23 CH-5610 Wohlen Telefon +41 (0)56 619 89 19 info@labtec-services.ch www.labtec-services.ch

Transmitterspeisegräte in SIL 3 Die bewährten Transmitterspeisegeräte des K- und H-Systems von Pepperl+Fuchs wurden um je zwei weitere Module ergänzt. Sie sind für eigensichere Anwendungen bis SIL 3 gemäss EN 61508 konzipiert. Sie haben den Vorteil, dass mit nur einem Transmitter ein eigensicherer Signalkreis für SIL 3 aufgebaut werden kann. Dies war bislang mit zwei getrennten Eingängen möglich, die aus Redundanzgründen beide überwacht werden mussten. Zusätzlich werden interne Diagnosefunktionen über einen Ausgang und eine rote LED gemeldet. Ein weiterer Vorteil der neuen Module ist, dass bei Anwendungen in SIL 2 die vorgeschriebenen Prüfintervalle verlängert werden. Die einkanaligen Transmitterspeisegeräte KCD2-STC-Ex.1ES und KFD2STC4-Ex1.ES sind lediglich 12,5 bzw. 20 mm breit und bieten ein aktives und passives 4…20-mAsowie 1…5-V-Ausgangssignal zur Steuerungsebene an. Sie ergänzen das K-System, das etwa 150 unterschiedliche eigensichere Trennbausteine und Signaltrenner umfasst. Die Montage auf der Normschiene

(35 mm) mit Power Rail ermöglicht eine Information über die interne Diagnose mit einem Ausfallsignal. Für das H-System, bei dem die Module auf vorverdrahtete Termination Boards montiert werden, wurden die beiden Transmitterspeisegeräte HiC2025ES und HiD2025ES entwickelt. Die platzsparenden Module haben eine Breite von 12,5 bzw. 18 mm und sind kompatibel zu den bestehenden Termination Boards dieses Systems. Pepperl+Fuchs AG Sägeweg 7 CH-2557 Studen Telefon +41 (0)32 374 76 76 info@ch.pepperl-fuchs.com www.pepperl-fuchs.ch

PRODUKTE

Ein komplett transparentes Dampfsystem Weltweit als Erste hat die Firma Gestra in ihrem Hauptsitz in Bremen ein komplett aus Glas bestehendes Dampfsystem in Betrieb genommen. Die Anlage setzt sich aus einem liegenden Glaszylinder-Verdampfer DN 300, einem Glas-Wärmetauscher für die Kondensation und einem Glas-Kondensattank zusammen. Sämtliche Verbindungsrohre sind ebenfalls aus Glas. Der Verdampfer weist eine Länge von 1,90 m und einen Durchmesser von 40 cm auf. Dank dieser Grösse können die physikalischen Vorgänge genau beobachtet werden. Man sieht, wie das Wasser zu sieden beginnt, wo die Dampfblasen in einem Dampfkessel erzeugt werden, wie die Oberfläche von den Dampfblasen durchbrochen wird und wie gross der Wasseranteil im Dampf sein kann, wenn unterschiedliche Wasserstände in einem Dampfkessel eingestellt werden. Zudem ist eindeutig ersichtlich, wie sich Kondensatstau aufbaut und wie Wasserschläge in den Glasrohrleitungen entstehen. Wie wichtig die richtige Installation von Kondensatableitern, Pumpen

und Stellventilen ist, wird mit der Erzeugung von Kavitation während des Betriebs vor Ort demonstriert. Die nächste Vorführung am Glasprüfstand bei Gestra in Bremen findet im März 2012 statt und wird durch die Firma Ramseyer organisiert. André Ramseyer AG Industriestrasse 32 CH-3175 Flamatt Telefon +41 (0)31 744 00 00 info@ramseyer.ch www.ramseyer.ch

Keine Brückenbildung bei schwer fliessenden Materialien K-Trons ActiFlow ist eine Neuheit, mit der kein Vertikalrührwerk mehr notwendig ist. ActiFlow verhindert zuverlässig die Brückenbildung von schwer fliessenden Schüttgütern, ohne Berührung mit dem zu dosierenden Material zu haben. Das System besteht aus zwei Komponenten, dem ActiFlow-Gerät und der zugehörigen Steuerung. Es eliminiert mit seinem einzigartigen Konzept die Notwendigkeit eines zusätzlichen Getriebemotors, von pneumatischen Fluidisierungskissen oder von mechanisch angetriebenen flexiblen Trichterwänden aus Kunststoff. ActiFlow vereinfacht den Reinigungsaufwand bei Materialwechsel wesentlich, und benötigt auch keinen zusätzlichem Installationsplatz über dem Trichter, da sich die Befestigung auf der Rückseite des Trichters oberhalb der Dosierereinheit befindet. Im Zusammenspiel mit der von Grund auf neu entwickelten ActiFlow-Steuerung wird das Material im Trichter mit einer stets optimierten Frequenz und Amplitude angeregt. Die weiterentwickelten Filteralgorithmen der pa-

tentierten K-Tron Smart Force Transducer-(SFT-)Lastzellen garantieren ein genaues Gewichtssignal, auch während ActiFlow das Schüttgut mit maximaler Leistung aktiviert. Der ActiFlow wird mit gravimetrischen K-Tron Dosierwaagen eingesetzt.

K-Tron (Schweiz) AG Lenzhardweg 43/45 CH-5702 Niederlenz Telefon +41 (0)62 885 71 71 www.ktron.com

Dosierpumpe für Kleinstmengenauftrag hochviskoser Medien des Dosiervorgangs sorgt der programmierbare Rückzugseffekt.

Die Mikrozahnringpumpe mzr2505 steht als kleinste Baugrösse der Hochleistungsbaureihe von HNP Mikrosysteme seit Herbst 2011 für anspruchsvolle Aufgaben zur volumetrischen Dosierung von Kleb-, Schmier- und Vergusswerkstoffen, Fetten und Ölen sowie Epoxidharzen, Polyurethanen,

Schraubensicherungslacken oder Silikonen zur Verfügung. Mit der mzr-2505 sind Dosiervolumina von 0,1 bis 10 µl sowie Differenzdrücke bis maximal 15 bar realisierbar. Die Applikation kann als Punkt- oder Raupenauftrag erfolgen. Für ein nachlauffreies Ende

Die Dosierpumpe wird durch einen DC-Servomotor mit integriertem Mikrocontroller angetrieben. Ergänzend zum Aufbau mit stirnseitigen Fluidanschlüssen für Druck- und Saugseite ist eine Ausführung mit grossem seitlichen Sauganschluss und stirnseitigem Druckanschluss verfügbar. Der seitliche Anschluss erlaubt eine Zuleitung mit grösserem Querschnitt sowie den Aufsatz eines Rohrwinkels zur vertikalen Befestigung einer Vorratskartusche. Standardkartuschen von 30 bis 960 cm3 sind adaptierbar. Bei geringem Druckverlust ist das freie Ansaugen hochviskoser Medien bis maximal 500 000 mPas möglich. Neben der mzr-2905 und der mzr4605, ebenfalls Pumpen der Hochleistungsbaureihe, ist die mzr-2505 geeignet zur Integration in das

Kleinstmengendosiergerät von HNP Mikrosysteme. Dessen kompakter Aufbau besteht aus Pumpe, standardisierter Kartusche für das Dosiermedium, Dosiernadel und Haltewinkel. Das System ist komplett verrohrt und kann über eine Entlüftungsschraube nach Kartuschenwechsel entlüftet bzw. durch den Anschluss einer Spülmedienvorlage gereinigt werden. Zusätzlich ist eine Ausstattung mit Kartuschenadapter für einen Vordruckanschluss möglich.

HNP Mikrosysteme GmbH Juri-Gagarin-Ring 4 D-19370 Parchim Telefon +49 (0)3871 451 352 sales@hnp-mikrosysteme.de www.hnp-mikrosysteme.de

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